AAS LÁNGATOMABSZORPCIÓS MÉRÉSEK A GYAKORLAT CÉLJA: A lángatomabszorpciós spektrometria (FAAS) módszerének tanulmányozása és alkalmazása fémek vizes közegű mintában való meghatározására. A MÉRÉSI MÓDSZER ELVE A lángatomabszorpciós spektroszkópiában (AAS) a mintát magas hőmérsékletű lángban atomizáljuk, majd az atomok vegyértékelektronjait megfelelő hullámhosszúságú fotonok segítségével gerjesztjük egy magasabb energianívóra és az analitikai jelet az abszorpcióból származtatjuk. A Boltzmann törvény alapján kiszámítható, hogy nem túl magas (< 5000 K) hőmérsékleten a szabad atomok túlnyomó többsége alapállapotban található. Ezért az atomok abszorpciós színképének (a minta fényelnyelését ábrázolja a hullámhossz függvényében) legintenzívebb vonalai azok, amelyeknél a kiindulási energiaállapot az alapállapot (ún. rezonanciavonalak). Ez egyúttal azt is jelenti, hogy az atomabszorpciós színképvonalak intenzitása a hőmérséklettől függetlenül közelítőleg állandó. Az atomabszorpciós spektrométerek vázlatos felépítését az 1. ábra mutatja be. 1. ábra. Az AAS spektrométerek optikai rendszerének vázlata Amint azt a neve is mutatja, a láng atomabszorpciós spektrométer (FAAS) atomforrása láng. Leggyakrabban acetilén/levegő vagy acetilén/dinitrogén-oxid összetételű, az optikai úttal párhuzamosan elhelyezett réségőben égő lángot alkalmazunk, amely hőmérséklete 2400-2700 K illetve 2900-3100 K. A hosszú és keskeny égőfej alkalmazása azért előnyös, mert ezáltal növeljük a szabad atomok fényútban való tartózkodásának idejét (másképpen: a Lambert-Beer törvény egyenletében az l küvettahosszat növeljük). Az 1
oldatmintát porlasztó segítségével aeroszollá alakítva juttatjuk a lángba, hasonlóan a lángfotométernél már megismert eljáráshoz. Az atomabszorpciós technika számára szükség van egy stabil, intenzív és a mérendő elemre nézve specifikus hullámhosszon sugározni képes fényforrásra; ez a vájtkatódlámpa. A vájtkatódlámpa olyan üreges katódot tartalmaz, amely anyaga az a fém, amit mérni akarunk (vagy annak egy vegyületével van bevonva). A csökkentett nyomású nemesgázzal töltött üvegbúra alatt elhelyezkedő anódgyűrű és katód közé néhány száz voltot kapcsolnak. Az izzó katódból kilépő elektronok gerjesztik, majd ionizálják a nemesgázatomokat, amelyek pozitív töltésük miatt a katódhoz vonzódnak. A becsapódó kationok a katódból fématomokat löknek ki, amelyek a töltött részecskékkel való ütközés révén gerjesztődnek és fényt emittálnak. Ez az emittált fénysugárzás a katód anyagára lesz jellemző, vagyis alkalmas arra, hogy azzal specifikusan a mérendő elem atomjait gerjesszük, abszorpciót idézzünk elő. Természetesen ez azt is jelenti, hogy minden elem atomabszorpciós méréséhez rendelkeznünk kell a megfelelő vájtkatódlámpával. üreges katód kvarcablak üvegtest gyűrűanód műanyag talp 2. ábra. A vájtkatódlámpa felépítése A láng atomforrásból kilépő fény egy kisfelbontású (0,2-1 nm) monokromátoron halad keresztül, aminek feladata a mérésre kiválasztott atomabszorpciós spektrumvonal spektrumbeli környezetének átengedése (másképp: a haszontalan spektrumrészletek kitakarása ). A fényintenzitás érzékeny mérését fotoelektron-sokszorozó detektor végzi. A monokromátor biztosította optikai szűrés feltétlenül szükséges, hiszen a láng saját színnel is (kékes vagy sárgás) rendelkezik és a minta egyéb, a lángban gerjesztődő komponenseinek zavaró spektrumvonalait/sávjait is ki kell szűrni. Fontos ugyanakkor megjegyezni, hogy ehhez szűréshez (szelektivitáshoz) a vájtkatódlámpa is jelentősen hozzájárul, amely emissziós vonalainak szélessége a lángban megfigyelhető atomi spektrumvonalak szélességével összemérhető, mintegy 0,01-0,001 nm. Az atomabszorpciós jel természetesen az atomforrásba belépő fény I 0 intenzitásából és a transzmittált fény I t intenzitásából, az abszorpció definíciós képlete szerint származhatható. Az atomabszorpció mérését az is nehezíti, hogy az I t intenzitást el kell különíteni a mérendő atomok termikus gerjesztéséből származó emissziótól is (I) is. A kétféle fény elkülönítésére az teremt lehetőséget, hogy míg a folytonosan működő és mintaoldattal táplált atomforrás 2
emissziója állandó, addig az abszorpciós jelet képzéséhez fontos I t intenzitás a vájtkatódlámpa fényétől függ. Ha tehát a vájtkatód lámpát szaggatottan működtetjük, akkor lehetőségünk van külön mérni az I t +I intenzitást (lámpa bekapcsolva) és az I intenzitást (lámpa kikapcsolva). Az 1. ábra ennek a rendszernek a működését mutatja be sematikusan, ahol a lámpa fényének szaggatása egy forgószektorral, mechanikusan történik. A valóságban az AAS spektrométerek optikai rendszerének felépítése ennél még bonyolultabb, ugyanis ún. háttérkorrekciós módszereket is alkalmazni kell annak érdekében, hogy a specifikus és a nem specifikus (szerves molekulák, koromszemcsék, stb. okozta) abszorpciót is el lehessen különíteni. Az atomabszorpciós módszer alapvetően monoelemes (egyszerre egyetlen elemet mérni képes technika), részben amiatt, hogy a vájtkatódlámpát elemenként cserélnünk kell, főleg azonban azért, mert a mintákat minden alkalommal az adott elemre érvényes szűk (kb. két koncentráció nagyságrend) lineáris kalibrációs tartományba kell hígítanunk. A módszer kimutatási határai azonban alacsonyak, tipikusan 0,1-0,01 ppm körüliek. A mérések precizitása is kedvező, ideális esetben jobb, mint 1 rel.%. A periódusos rendszer elemeinek mintegy kétharmada meghatározható, amennyiben az ehhez szükséges megfelelő vájtkatódlámpákkal rendelkezünk. A láng atomabszorpciós módszer használata igen elterjedt általános elemanalitikai célokra. SZÜKSÉGES ANYAGOK, ESZKÖZÖK ÉS MŰSZEREK 100 mg/l koncentrációjú Mg vagy Zn törzsoldatok (a gyakorlatvezető döntése alapján) Acetilén gázpalack reduktorral (a láng táplálásához) 1 db 100 cm 3 -es mérőlombik (a mintaoldatnak) 5 db 50 cm 3 -es mérőlombik (a kalibráló oldatsorozat számára) 1 db 50 cm 3 -es mérőlombik (az esetleg szükséges kétszeres mintahígítás számára) 1 db 100 cm 3 -es mérőlombik (az esetleg szükséges húszszoros mintahígítás számára) 1 db 5 cm 3 -es osztott pipetta (a kalibráló oldatsorozat készítéséhez) 2 db 50 cm 3 -es főzőpohár (a törzsoldatok pipettázásának segítésére) 1 db 25 cm 3 -es hasas pipetta (az esetleg szükséges kétszeres mintahígítás elkészítéséhez) 1 db 10 cm 3 -es hasas pipetta (az esetleg szükséges húszszoros mintahígítás elkészítéséhez) pipettázó labda papírkendő Unicam 919AA lángatomabszorpciós spektrométer vájtkatódlámpákkal (Mg vagy Zn) Légkompresszor (a láng égését és a porlasztást segítő levegő biztosítására) 3
AZ ELVÉGZENDŐ FELADATOK ÉS A FELHASZNÁLANDÓ MŰSZEREK LEÍRÁSA A spektrométer üzembehelyezése. A spektrométer és különösen a vájtkatódlámpák legalább 15 perc bemelegedési (előfűtési) időt igényelnek, ezért a gyakorlat kezdetekor a legelső teendője a gyakorlatvezető segítségével a műszer üzembehelyezése. Ehhez áram alá helyezzük a Power kapcsoló segítségével a spektrométert, továbbá a számítógépet. A vájtkatódlámpákat már a műszer belsejében megfelelően felszerelve és beállítva fogja megtalálni, ezért most feladata csak az ellenőrzés lesz. A lámpákat a spektrométer baloldalán található ajtónyílás mögött, a négypozíciós forgó rendszerű lámpatartóban találja meg - minden lámpa tápkábele egy színessel számozott foglalathoz csatlakozik. Vizsgálja meg a felszerelt lámpákon található címkefeliratokat, hogy egyrészről megállapítsa melyik pozícióban található a gyakorlata során használandó lámpa, másrészről hogy mekkora lehet annak maximális működtető árama. Ehhez esetleg ki kell vennie óvatosan a lámpát a helyéről - ekkor a megfelelő pozicionálásra és központosításra ügyelve helyezze azt vissza a helyére. Ha ezzel készen van, akkor az ajtót becsukhatja és a lámpatartót olyan helyzetbe forgatja, hogy a kívánt lámpa kerüljön a fényútba (az éppen fényútban lévő lámpa sorszáma az ajtónyíláson keresztül megfigyelhető ( Lamp position ). Ezután a kérdéses lámpa előfűtését kezdje meg a spektrométer előlapjának bal alsó részén található Lamp current forgatógombbal; a fűtőáram szokásos értéke a maximális lámpaáram mintegy 25%-a, vagyis kb. 5 ma. Győződjön meg arról is, hogy a spektrométer porlasztójának kapillárisa friss desztillált vizet (vakoldat) tartalmazó főzőpohárba merül. Ellenőrizze, hogy a műszer frontoldali nyomógombjai a következő állásban vannak: AAS/AES kiengedve (AAS), D 2 lamp kiengedve (OFF), Energy kiengedve (Sample), B/C kiengedve (nincs háttérkorrekció), Damping kiengedve (kijelzés gyakorisága 0.1 s). A kalibráló sor és a minták elkészítése. A kiadott sorszámozott 50 cm 3 -es mérőlombikokban az 5 cm 3 -es osztott pipetta és desztillált víz segítségével készítse el a kalibráló sort a mérendő elem törzsoldatát is felhasználva. A kalibráló sornak nagyjából egyenletesen le kell fednie az 1-10 mg/l tartományt, tehát pl. egy 2-4-6-8-10 mg/l koncentrációsor megfelelő lehet. Ne felejtse el használni a pipettázás során a kiadott főzőpoharat és a pipettát átöblíteni a törzsoldattal. Az ismeretlen oldatot egy 100 cm 3 -es mérőlombikban kapja kézhez; ezt jelre kell töltenie desztillált vízzel, majd homogenizálnia. A mintaoldat további előkészítése csak akkor lesz szükséges, ha azt tapasztalja, hogy a mérés során annak jele a kalibrált tartományon kívül esik. Ebben az esetben a mellékelt további mérőlombikok, valamint két hasas pipetta segítségével kétszeres vagy hússzoros hígítást kell készítenie a mintaoldatból igény szerint. Értelemszerűen a 25 cm 3 -es pipettát kell használnia a 2x feliratú 50 cm 3 -es lombikhoz. A mintaoldattal takarékosan bánjon, ezért most pipettázhat közvetlenül a mintalombikból - de a tiszta pipettát előzetesen öblítse át kevés mintaoldattal. A lombikot töltse jelre desztillált vízzel és homogenizálja alaposan. Ezután, ha szükséges, a hússzoros hígítás úgy készíthető el, hogy ebből az oldatból 10 cm 3 -t pipettáz át a 20x feliratú 100 cm 3 -es lombikba. 4
A mérési program elkészítése. A mérés megkezdése előtt mérési programot kell készítünk a számítógép célszoftverével. A program kezdő képernyőjén kiválasztjuk a láng üzemmódot ( Flame system, vagyis F1 gomb). Ezek után a Define Job menüelemet választjuk, majd a bevisszük az ott kért adatokat. Az adatokat két részletben kéri a program: előbb általános adatokra (pl. Job name, operator, print results opció, stb.) van szüksége, majd az F8 gombbal a következő adatlapra lépve ( Define method ) mérésspecifikus részleteket kell megadnunk. Itt az egyes mezők közötti mozgáshoz és az opciók közötti választáshoz a kurzorbillentyűket használjuk, szöveg vagy szám begépelése után nyomjunk Enter-t. A beírandó adatokat az alábbi, 1. táblázat mutatja. 1. táblázat. A szoftver paramétereinek értékei és magyarázatuk Analysis mode: Transient: Signal: Measurement time: No. of resamples: Background correction: Autosampler: Base sample No.: Std. additions: Units: No. of standards: 5 Element: AAS (atomabszorpciós mérési üzemmódban mérünk) NO (nem tranziens jelet mérünk) Integrate (a jelet adott időtartamon keresztül összegzi) 4 s (ennyi ideig összegez) 3 (három párhuzamos mérést kérünk minden mintából) NO (nem kérünk deutérium lámpás háttérkorrekciót) NO (nem használunk automatikus mintaváltót) 1 (a minták azonosítására használt sorszám kezdő értéke) NO (nem standard addíciós kalibrációt használunk) mg/l (ilyen koncentráció dimenzióban dolgozunk) (a vakoldaton kívül ennyi kalibráló oldat lesz) Zn vagy Mg (annak megfelelően, hogy melyiket mérjük) A No. of standards sor bevitele után a program növekedő sorrendben egyesével bekéri majd a kalibráló oldatok ( STD1, stb.) koncentrációját a korábban megadott egységekben: itt ügyeljünk arra, hogy a kívánt tizedesjegy pontossággal adjuk meg az adatokat, mert a mért koncentrációk kijelzésénél is ennyi tizedesjegyet fogunk látni. Az F8 gomb megnyomására megjelenik egy üzenet, amely arra figyelmezteti, hogy el kell még végezni a mérés előtti utolsó beállításokat. A láng begyújtása, a műszer finombeállítása. Ezeket a beállításokat csak akkor tegye meg, amikor biztosan eltelt a bemelegedés 15-20 perc ideje! Adja rá a vájtkatódlámpára az üzemi áramerősséget (a maximum kb. 75%-a, kb. 10-15 ma), válasszon ki 0.5 nm résszélességet ( Bandwidth ), majd a hullámhossz forgatógomb ( Wavelength ) segítségével a monokromátort állítsa a mérés hullámhosszára (Zn 213.9 nm, Mg 285.2 nm). A mérési hullámhossz pontos beállítását egy Energy feliratú LED sor segíti a műszer előlapjának jobb felső sarkában: a hullámhossz finomhangolását úgy végezze, hogy ezen a lehető legnagyobb jelet kapja. Ha szükséges, a jel erősítését a Gain forgatógombbal szabályozhatja - jelnek a kék sávban, vagyis a maximum 70-90%-a közé kell esnie. A hullámhossz beállító gombot reteszelhetjük a finomhangolás után. Most kapcsoljuk be az égéstermékeket eltávolító elszívómotort, majd a légkompresszort (fehér illetve barna színű kapcsolós konnektordugók a műszer háta mögött). A sűrített levegő nyomásának kb. 200 kpa- 5
nak (2 bar) kell lennie az ellenőrző műszeren (bal oldalon, hátul találja), esetleg a kondenzvíz leengedése is szükséges lehet - ehhez kérjen segítséget. Kinyitja az acetilén palackot, és azon kb. 100 kpa nyomást állít be. A spektrométer Check gombjának lenyomásával ellenőrizzük, hogy gáznyomások valóban megfelelőek. A golyós áramlásmérők (rotaméterek) a következő értékeket kell, hogy mutassák: Fuel : kb. 25 L/min, Support gas : kb. 30 L/min, Aux support : kb. 30-40 L/min. Szükség esetén a Check gomb lenyomva tartása melett ezek az értékek beállítandók a rotaméterek alatti forgatógombokkal. Ha ez rendben van, akkor az Ignition gomb megnyomásával szikrát képzünk, ami belobbantja a lángot. Lehetséges, hogy a láng elsőre nem gyullad be, ekkor többször használjuk ezt a gombot. A sztöchiometrikus láng színe kék, ha az égőfej tiszta, akkor egyenletes lángmagnak kell látszódnia az égőfej teljes hosszában. A vizsgálandó oldatot a porlasztó kapillárisán keresztül juttatjuk az égőbe; ha éppen nem mérünk, desztillált vizet akkor is porlasztassunk be folyamatosan. Amennyiben szükséges lenne és erre a gyakorlatvezető is utasítást adott, akkor a műszer érzékenységét tovább növelhetjük olymódon, hogy 1) a Fuel/Support gas arányt kissé megváltoztatjuk, 2) a Burner height szabályzó segítségével a lángbeli megfigyelési magasságon állítunk abból a célból, hogy egy kalibráló oldat állandó beporlasztása mellett a maximális abszorbancia értéket érjük el. A mérési feladat végrehajtása. A fenti beállítások elvégzése után a műszer mérőkész, megnyomhatjuk az F8 gombot. Megjegyzendő, hogy mostantól fogva mindig az F8 gomb lépteti tovább a program végrehajtását ( Run ). Most megjelenik a mérési képernyő, amelynek legnagyobb részét a - most még üres - kalibrációs grafikon tölti ki, a jobb felső sarokban látja a mindenkori abszorpciós jelet ( Signal ), alatta pedig sárga színnel az üzenetet, ami jelzi, hogy éppen melyik kalibráló oldatot ( Blank, STD1, STD2, stb.) vagy mintát kell beadnia. Az oldatfelszívó kapillárist a megfelelő oldatba helyezése után F8 megnyomására indul a kérdéses oldat mérése - mérje most le egymás után a kért sorrendben a kalibráló oldatokat. A három párhuzamosra kapott aktuális adatokat mindig az abszorbancia kijelző alatt fogja látni (átlag, std%), a kalibrációs adatok pedig táblázatos formában a képernyő jobb alsó sarkában is láthatók. Az összes kalibrációs minta mérését követően mind a táblázat, mind a kalibrációs grafikon megtelik majd adattal. Ha a szoftver egyes kalibráló minták mérésekor az Excess curvature. Unacceptable calibration hibaüzenetet adja, akkor az azt jelenti, hogy vagy rossz sorrendben mérte a kalibráló oldatokat, vagy azokat nem a megfelelő koncentrációban készítette el. Ekkor az Esc és F3 ( Recalibration ) gombok megnyomásával újrakezdheti a kalibrációt. Az F1 gomb ( End of analysis ) befejezi a mérést és a mérési program legelejére ugrik vissza. Siekres kalibráció után mérje meg a mintaoldatát is (az esetleg a szükséges hígításokkal együtt). Ezeket mint Sample 1, Sample 2 stb. fogja kérni a műszer. A mérési eredményeket mind jegyezze fel a füzetébe - a kalibrációs adatokat a képernyőn mindig látható táblázatban, a mintákra mért koncentrációkat pedig az F6 ( Display results ) gomb megnyomására kapott táblázatban tekintheti meg. Mintaoldatának koncentrációját abból az koncentrációból számítsa ki a hígítás figyelembevételével, amely a kalibrációs tartomány közepe tájára esik (pl. nagyobb, mint 2 mg/l, de kisebb mint 8 mg/l). A 6
kalibrációs és szórásadatok felhasználásával számítsa ki a kimutatási határ közelítő értékét is. BENYÚJTANDÓ ADATOK, EREDMÉNYEK A mért adatok részletes táblázata A kiadott ismeretlen oldat koncentrációja mg/l és mol/dm 3 egységekben A meghatározás közelítő kimutatási határa L/mg egységekben KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK ÖNÁLLÓ FELKÉSZÜLÉSHEZ 1. Mekkora egy tipikus atomspektrometriai vonal szélessége nanométerben? 2. Hogyan működik a vájtkatódlámpa? 3. Miért kell megszaggatni a vájtkatódlámpa fényét az AAS műszerekben? 4. Miért nevezzük monoelemes technikának az atomabszorpciós spektrometriát? 5. Miért van szükség monokromátorra az AAS műszerekben? 6. Hogyan lehetne egy láng-aas műszert lángfotométerként használni? 7. Miért alkalmazunk hosszú és keskeny égőfejet a láng AAS spektrométerben? 8. Egy Zn tartalmú szennyvíz minta beporlasztása esetén (amely kétfázisú rendszernek tekinthető) a láng AAS módszerrel a következő koncentrációk melyikét méri: összes Zn tartalom; szabad Zn 2+ koncentráció; vízben oldható Zn tartalom; esetleg mást? 9. A króm egyféle lángatomabszorpciós meghatározásának érzékenysége 1,5 dm 3 /mg. Egy ezüst-kromát csapadékot (és egyéb, nem krómtartalmő anyagokat) tartalmazó oldat tisztájában 0,25 abszorbanciát mérünk, miközben az oldatba merített elsőfajú ezüst elektród potenciáljának mérése 0,601 V eredményt ad. Mekkora az ezüstkromát csapadék oldhatósági szorzata? (A Cr relatív móltömege: 51,99; E 0, Ag = 0,799 V; a helyes megoldás: 6,38 10-13 ) 10. Szennyvíz minta kadmium tartalmát határozzuk meg atomabszorpciós módszerrel, többszörös standard addíciós kalibráció alkalmazásával. A kalibrációt úgy kivitelezzük, hogy az eredeti oldat négy mérőlombikban lévő 5-5 cm 3 -es részletéhez egyre növekvő mennyiségű kadmiumot adunk egy tömény törzsoldat formájában, majd az oldatok térfogatát 10 cm 3 -re egészítjük ki és megmérjük azokat egy láng- AAS készülékkel. A kalibráció során kapott adatokat a követekező táblázat foglalja össze. Ezek alapján számítsa ki a mintaoldat Cd tartalmát! Hozzáadott Cd (mg dm -3 ) 0 0,2 0,4 0,6 Abszorbancia 0,070 0,112 0,154 0,196 (a helyes megoldás: 0,66 mg dm -3 ) 7