PRÁCTICA 4Espectroscopia de absorción atómica FUNDAMENTO DE LA PRÁCTICA 1. Describa los fundamentos de la espectroscopia de absorción atómica. En química analítica, la espectrometría de absorción atómica es una técnica para determinar la concentración de un elemento metálico determinado en una muestra. Puede utilizarse para analizar la concentración de más de 62 metales diferentes en una solución. PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA La técnica hace uso de la espectrometría de absorción para evaluar la concentración de un analito en una muestra. Se basa en gran medida en la ley de Beer-Lambert. En resumen, los electrones de los átomos en el atomizador pueden ser promovidos a orbitales más altos por un instante mediante la absorción de una cantidad de energía (es decir, luz de una determinada longitud de onda). Esta cantidad de energía (o longitud de onda) se refiere específicamente a una transición de electrones en un elemento particular, y en general, cada longitud de onda corresponde a un solo elemento. Como la cantidad de energía que se pone en la llama es conocida, y la cantidad restante en el otro lado (el detector) se puede medir, es posible, a partir de la ley de Beer-Lambert, calcular cuántas de estas transiciones tienen lugar, y así obtener una señal que es proporcional a la concentración del elemento que se mide. INSTRUMENTOS Para analizar los constituyentes atómicos de una muestra es necesario atomizarla. La muestra debe ser iluminada por la luz. Finalmente, la luz es transmitida y medida por un detector. Con el fin de reducir el efecto de emisión del atomizador (por ejemplo, la radiación de cuerpo negro) o del ambiente, normalmente se usa un espectrómetro entre el atomizador y el detector. Tipos de atomizadores Para atomizar la muestra normalmente se usa una llama, pero también pueden usarse otros atomizadores como el horno de grafito o los plasmas, principalmente los plasmas de acoplamiento inductivo. Cuando se usa una llama, se dispone de tal modo que pase a lo largo lateralmente (10 cm) y no en profundidad. La altura de la llama sobre la cabeza del quemador se puede controlar mediante un ajuste del flujo de mezcla de combustible. Un haz de luz pasa a través de esta llama en el lado más largo del eje (el eje lateral) e impacta en un detector. Análisis de los líquidos Una muestra de líquido normalmente se convierte en gas atómico en tres pasos: 1. Desolvación. El líquido disolvente se evapora, y la muestra permanece seca. 2. Vaporización. La muestra sólida se evapora a gas. 3. Atomización. Los compuestos que componen la muestra se dividen en átomos libres. Fuentes de luz La fuente de luz elegida tiene una anchura espectral más estrecha que la de las transiciones atómicas. Lámparas de cátodo hueco. En su modo de funcionamiento convencional, la luz es producida por una lámpara de cátodo hueco. En el interior de la lámpara hay un cátodo cilíndrico de metal que contiene el metal de excitación, y un ánodo. Cuando un alto voltaje se aplica a través del ánodo y el cátodo, los átomos de metal en el cátodo se excitan y producen luz con una determinada longitud de onda. El tipo de tubo catódico hueco depende del metal que se analiza. Para analizar la concentración de cobre en un mineral, se utiliza un tubo catódico de cobre, y así para cualquier otro metal que se analice. Láseres de diodo. La espectrometría de absorción atómica también puede ser llevada a cabo mediante láser, principalmente un láser de diodo, ya que sus propiedades son apropiadas para la espectrometría de absorción láser. La técnica se denomina espectrometría de absorción atómica por láser de diodo (DLAAS o DLAS), o bien, espectrometría de absorción por modulación de longitud de onda. 2. Esquematice el proceso de absorción atómica en la que se tienen átomos en una flama. Etapas y procesos de la atomización Las etapas implicadas en la atomización de los analitos son comunes a todos los métodos de llama, a saber: a) transporte de la disolución que contiene el analito; b) nebulización; c) transporte del aerosol; d) desolvatación; e) vaporización; f) equilibración de las especies vaporizadas; y g) medida de absorción emisión o fluorescencia atómica. En la fig10.4 se esquematizan estas etapas que pasaremos a comentar a continuación: M+ + A- (Muestra en disolución) 1) Nebulización M+ + A- (Aerosol) 2) Desolvatación MA (Sólido) 3) Licuefacción MA (Líquido) 4) Evaporación MA (Gas) 5) Atomización Mo + Ao (Gas) 6) Excitación M* (Gas) 7) Ionización M+ + e- (Gas) a) Transporte de la disolución. Esta etapa implica el movimiento de la disolución desde el recipiente que la contiene hasta el nebulizador a traves de un estrecho tubo de plástico. Es necesario que este proceso sea reproducible tanto para las muestras como para los patrones, para lo cual es preciso que las disoluciones sean lo más iguales posibles en cuanto a disolventes, viscosidad, tensión superficial, etc. Así mismo deben evitarse disoluciones turbias y con partículas en suspensión. b) Nebulización. La etapa de nebulización es de gran importancia y constituye un talón de Aquiles de los métodos de espectroscopía de llama. Implica la conversión de la disolución en un fino aerosol (suspensión de partículas ultramicroscópicas de sólidos o líquidos en el aire u otro gas). El objetivo ideal es convertir la disolución en aerosol con una eficacia del 100%. En la realidad la eficacia oscila entre un 3 y 15% ya que para que la muestra que llega a la llama sea atomizada el tamaño de las partículas de aerosol debe ser menor de 10 m (idealmente de 1 a 2 m). El resultado neto es que 90 % de la muestra se drena en esta etapa hacia el recipiente de desecho. c) Transporte del aerosol. En esta etapa el aerosol es transportado hasta la llama a traves de la cámara de mezcla. Esta cámara tiene una serie de compònentes—bola de impacto, deflectores—que aseguran que sólo las partículas más pequeñas lleguen a la llama. d) Desolvatación. La primera etapa una vez que el aerosol alcanza la llama es la desolvatación, esto es, la conversión del aerosol en partículas de sal. La velocidad de desolvatación depende de factores tales como el tamaño de las gotas, disolvente, velocidad de aspiración, temperatura de la llama, etc. e) Vaporización. Se trata de la conversión en la llama de las partículas de sal en vapor. Esta es una etapa crítica en los métodos de llama y en ella pueden presentarse serias interferencias que comentaremos más adelante. Entre las variables que afectan a esta etapa podemos citar el tamaño de la partícula, la composición de la misma, la temperatura de la llama y el tiempo(altura) en la llama. f) Equilibrado de las especies vaporizadas. La última etapa antes de la etapa de medida es el equilibrado de las especies vaporizadas. Como se indica en la figura 10.4, entre equilibrio se produce entre las especies moleculares (óxidos e hidróxidos), átomos neutros e iones. En general, en los métodos de llama se prefiere los átomos neutros-especies primarias para absorción y fluorescencia, y átomos neutros excitados para emisión. 3. ¿Cuál es el intervalo de longitudes de onda empleados en espectroscopia de absorción atómica? 4. Describa los componentes principales de un espectrofotómetro de absorción atómica LÁMPARA DE CÁTODO HUECO: Este tipo de fuente de radiación es de las ampliamente difundidas en la EAA. Las lámparas de cátodo hueco consisten de un cilindro de vidrio sellado al vacío y con un gas inerte en su interior. Dentro de este mismo cilindro se encuentran dos filamentos; uno de ellos es el cátodo y el otro el ánodo. El ánodo generalmente es un alambre grueso hecho de níquel o tungsteno, el cátodo es en forma de un cilindro hueco, en el interior del cual se encuentra depositado en forma de una capa del elemento metálico que se va a excitar. SISTEMA NEBULIZADOR-ATOMIZADOR: El nebulizador y el sistema atomizador suelen estar integrados en uno, especialmente en los equipos de absorción atómica. En este sistema, la disolución de la muestra (o parte de ella) es inicialmente aspirada y dirigida como una fina niebla hacia la llama (atomizador), lugar donde se forman los átomos en estado elemental. Para obtener la llama se requiere un combustible (por ejemplo, acetileno) y un oxidante (por ejemplo, aire). De este tipo sería un atomizador con llama: para muestras liquidas y gases. Un atomizador sin llama: para muestras sólidas y liquidas, se usa un horno con cámara de grafito. Atomización con llama: el atomizador consiste en un mechero con cabeza larga y estrecha que sirve de paso óptico para la muestra. La muestra se aspira dentro de la llama. El nebulizador controla el flujo de muestra y la nebuliza. La cámara de mezclado, asegura que la muestra se mezcla con el combustible y el oxidante, antes de entrar en el interior de la llama. El combustible más utilizado es acetileno o el óxido nitroso, se suelen usar como oxidantes. El N2O tiene mayor poder calorífico, pero también más ruido (background). La mezcla acetileno/aire alcanza una temperatura de 2100-2400 grados centígrados. La mezcla de acetileno/N2O alcanza una temperatura de 2600-2800 grados centígrados. QUEMADOR Con las gotas de solución que alcanzan a llegar al quemador ocurren los siguientes eventos: 1. El solvente es vaporizado y se forman los cristales de las sales metálicas que originalmente se encontraban en solución como iones positivos y negativos. La naturaleza de las sales formadas dependen principalmente de la constante de producto de solubilidad del compuesto que cristaliza. 2. Una vez formadas las sales, estas son descompuestas por efecto de la temperatura. Y el elemento es reducido al estado metálico sólido. 3. Posteriormente el metal pasa del estado líquido al estado gaseoso y finalmente se tiene en un vapor atómico que es capaz de absorber radiación de longitudes de onda bien definidas. 4. Si la temperatura es los suficientemente alta y/o el elemento metálico es de bajo potencial de ionización, parte de los átomos del elemento pierden uno o más de sus electrones y se ioniza parcialmente. Esto no es conveniente ya que la ionización es una interferencia en EEA. MONOCROMADOR Y DETECTOR: La optica de un espectrofotometro de absorcion atomica es similar a la de cualquier otro espectrofotometro. El monocromador (prismas, redes de difraccion, etc.) permite seleccionar una de las longitudes de onda que proceden de la emision de la fuente. Parte de la radiacion no absorbida es dirigida hacia el detector (por ejemplo un fotomultiplicador), cuya mision es transformar la energia radiante no absorbida en una corriente electrica, que una vez procesada es presentada al analista de diferentes maneras (por ejemplo, unidades de absorbancia) 5. ¿Cuántos y cuáles son los tipos de flama que se pueden emplear en espectroscopia de absorción atómica? 6. ¿Cuáles son los principios básicos de funcionamiento del horno de grafito y en qué casos se utiliza el Horno de grafito? 7. Qué es una digestión ácida y con qué finalidad se realiza? 8. ¿Describa cómo se realiza el análisis cuantitativo por espectroscopia de absorción atómica? 9. ¿Describa cómo se realiza la técnica de adición de estándar (procedimiento), cuando se utiliza y cuál es la fórmula que se utiliza? 10.¿Qué tipo de muestras se pueden analizar por espectroscopia de absorción atómica? 11.¿Cuáles son las aplicaciones de la espectroscopia de absorción atómica en la industria alimentaria, farmacéutica y ambiental? 12.¿Cuáles son las condiciones de operación del equipo de absorción atómica? (para el metal que van a medir, se contesta durante el desarrollo de la práctica). RESULTADOS 1. Graficar la curva de calibración de los estándares de cada metal, determinar la correspondiente ecuación lineal, el rango lineal y el coeficiente de correlación (r). 2. Determinar las concentraciones de los metales en las muestras problemas de estudio (si es sólida la muestra de estudio en mg/kg). 3. Incluir todos los cálculos desarrollados. 4. En caso de aplicar, identifique los niveles máximos permitidos por la normatividad mexicana vigente para cada metal. 5. En caso de aplicar (suplementos nutricionales o alimentos) determinar el porcentaje de error y los niveles recomendables de suplementos (Fe, Zn o Cu) que se debe ingerir por el organismo humano.