Ugrás a tartalomhoz

ATOMABSZORPCIÓS SPEKTROMETRIA

Dr. Posta József

Hallgatói Információs Központ

7. fejezet - Az atomabszorpciós spektrometria alkalmazásai

7. fejezet - Az atomabszorpciós spektrometria alkalmazásai

Elemek és minták

A módszerrel vizsgálható elemek és mintatípusok

Az atomabszorpciós spektrometriának, mint elemanalitikai módszernek a széleskörű elterjedését egyéb erényei mellett az is magyarázza, hogy mintegy 70 elem határozható meg segítségével, akár lángatomizációt, akár grafitkemencés atomizálást alkalmazunk. A tipikusan nem-fémek: nemesgázok, hidrogén, halogének, oxigén, nitrogén és szén az elemeknek az a köre, amelyeknek nagy a gerjesztési energiájuk. Ezért az elemző vonalaik hullámhossza a vákuum ultraibolya tartományba esik. A rövid élettartamú transzurán elemeket sem tudjuk elemezni ezzel a módszerrel. A többi elem atomizációjához elegendő a korábban (5.4.2. fejezetben) bemutatott két láng, az acetilén – levegő és az acetilén – dinitrogén-oxid. A 119. ábrán tüntettük fel a lángatomabszorpciós módszerrel meghatározható elemeket és azt, hogy melyik láng alkalmas az atomizációjukra.

119. ábra A lángatomabszorpciós spektrometriás módszerrel meghatározható elemek

Az atomabszorpciós spektrometriás szakkönyvek, kézikönyvek külön fejezetekben tárgyalják azokat a mintatípusokat, amelyek a mintavétele, a minta-előkészítése illetve elemzése a mintákra jellemző eljárásokat igényel. Alábbiakban néhány ilyen mintacsoportok listáját közöljük.

  1. Vízminták

  2. Talajok, üledékek

  3. Környezeti minták

  4. Élelmiszerek

  5. Testfolyadékok és szövetek

  6. Biológiai anyagok

  7. Kőzetek, ércek, ásványok

  8. Nyersolaj és olajtermékek

  9. Fémek, kohászati anyagok

  10. Építőipari anyagok

  11. Üveg, kerámia

  12. Geológiai minták

  13. Műanyagok

  14. Klinikai minták

  15. Vegyszerek

  16. Ipari minták

  17. Bűnügyi minták

  18. Régészeti anyagok

  19. Egyéb vegyes minták

5. táblázat Összefoglaló táblázat az elemek elemző vonaláról és kimutatási határáról (μg/L) (3σ)

Megjegyzések: A kimutatási határok mátrixmentes oldatokra vonatkoznak. A GFAAS adatok 50μL oldattérfogatok, a HG/CV AAS adatok pedig flow injection módszerrel 500 μL oldat elemzése alapján kerültek kiszámításra. * többelemes AAS készüléken végzett mérés adatai.

Minta-előkészítési eljárások

A 8.1.1. fejezetben bemutatott számos mintatípus közötti különbség többek között a minta-előkészítés módjában van. Az AAS analízisben használatos minta előkészítési eljárásokat a biológiai, humánbiológiai minták példáján mutatjuk be.

Biológiai minták előkészítése nyomelem-analízisre

A biológiai minták közös jellemzője, hogy azok különböző méretű és szerkezetű szervesanyag tartalma mellett életfontosságú nyomelemeket, bio-katalizátorokat tartalmaznak. Mivel katalizátorokról van szó, ezek koncentrációja általában nagyon kicsi. Ezek pontos ismerete azért is fontos, mert sok esetben a szükséges nyomelem-koncentráció és a már mérgezést okozó dózis között nincs nagy különbség. Ugyancsak fontos a nyomelem-koncentráció meghatározása, ha a szervezetet mérgező hatás éri. Ekkor a toxikus elemek pontos koncentrációjának meghatározása a feladat. Ezeknek az esszenciális és toxikus elemeknek a biológiai mintákban történő meghatározása általában nem végezhető el közvetlenül a minták eredeti formájában. A biológiai mintákban a nyomelemek különböző kémiai kötésben fordulnak elő. A különböző halmazállapotú, szervesanyag-tartalmú mintákban a szervetlen sókat, nyomelemeket az előkészítési módszerekkel megfelelő alakra kell hozni ahhoz, hogy AAS módszerrel meghatározhatók legyenek. Ez az esetek túlnyomó többségében azt jelenti, hogy a szerves anyag teljes mennyiségét eltávolítjuk a mintából, a visszamaradó szervetlen vegyületeket pedig vízben vagy savban oldható formára hozzuk.

A biológiai minták előkészítésére az alábbi módszereket alkalmazzuk.

  1. I.Száraz hamvasztás

  2. I.Nedves roncsolás

    • Nyílt rendszerben atmoszférikus nyomáson

    • Zárt térben acélköpenyes teflon bombában, nagy nyomáson

    • Zárt térben, műanyag köpenyes bombában, mikrohullámú energiaközléssel

Száraz hamvasztás

A száraz hamvasztás első lépéseként pontosan lemért tömegű tiszta száraz porcelán izzító tégelyekbe helyezzük az elemezni kívánt biológiai mintákat. Lemérjük a tömegüket, majd 1 órán át 105 oC-on szárítjuk. Ismét lemérjük a tömegeket. A tömegcsökkenésből kiszámítjuk a minták nedvességtartalmát. Következő lépésként a szárított mintákat tartalmazó tégelyeket izzító kemencébe helyezzük, ajtaját gondosan bezárjuk. A 20–1000 oC között szabályozható hőmérsékletet biztosító kemence például úgynevezett ejtőkengyeles hőfokszabályzóval áll összeköttetésben. E szabályzó segítségével a kemence hőmérsékletét 20 oC-tól kezdve félóránként 100 fokkal emeljük 800 oC-ig. Ezzel a kíméletes fűtési sebességgel biztosítjuk, hogy a hőfolyamatok, a kémiai átalakulások a minta teljes térfogatában lejátszódjanak. A hamvasztási folyamat teljes időtartama alatt a kemence ajtaját kinyitni nem szabad. Ha ugyanis az ajtót kinyitjuk, akkor nagy mennyiségű oxigén jut a nagy hőmérsékletű mintához, amitől az lángra lobban. Ezzel azonban a minta felületén a hőmérséklete hirtelen 1500 – 2000 oC-ra emelkedhet, amivel szabályozatlanná válik a hamvasztás, és komoly mintaveszteséget eredményezhet.

A szabályozott hamvasztás során lejátszódó fő folyamat minden biológiai minta esetén, hogy a szerves vegyületek széntartalma szén-dioxiddá, hidrogéntartalma pedig vízzé ég el.

(70)

Az izzító kemencében levő mintához a hamvasztás alatt a kemence nyílásain beszivárgó levegővel csak annyi oxigén jut, hogy az adott hőfokon izzásban legyen és szabályozottan, egyenletesen menjen végbe az oxidáció.

Az elhamvasztott mintát lehűlés után kivesszük a kemencéből. A visszamaradt fehér vagy enyhén sárga por az eredeti biológiai mintának csak a szervetlen fő- és nyomkomponenseit tartalmazza elsősorban oxidok formájában. E maradék tömegét lemérjük, ami az adott mintára ugyancsak jellemző adat. A hamvasztási maradékot ezután salétromsavban feloldjuk és mérőlombikban adott térfogatra hígítjuk. Az így elkészített oldatokat használjuk fel a műszeres analízishez.

A száraz hamvasztás módszer előnyös tulajdonságai:

  1. A hőfok beállításán túl minta előkészítése nem kíván állandó felügyeletet

  2. A minta tömegétől, a porcelán tégelyek méretétől függően nagyszámú (20-25 db) minta előkészítése is elvégezhető egyidejűleg.

  3. A szerves anyag teljes mennyisége eltávozik a mintából

A száraz hamvasztás hátránya:

Az illékony elemek (higany, kadmium, ólom, vas kloridja stb.) jelentős része, vagy teljes mennyisége eltávozik a mintából. Így a száraz hamvasztással történő előkészítéssel ezekre az elemekre a minta elemzése jelentős negatív hibával jár. Az előkészítéshez a hőmérsékletet úgy kell megválasztani, hogy a minta meghatározandó komponenseinek teljes tömege megmaradjon a hamvasztás alatt.

Nedves roncsolás atmoszférikus nyomáson

A pontosan lemért tömegű (0.5 – 1 gramm) biológiai mintát Erlenmeyer-lombikba helyezzük. A mintához 10 ml koncentrált salétromsavat adunk. A lombikot szabályozható hőmérsékletű homokfürdőre helyezzük, és óvatosan melegítjük. Az erős nitrózusgőz fejlődés jelzi, hogy a szerves anyag oxidációja folyik. A nedves roncsolás során a száraz hamvasztáshoz hasonlóan a szerves anyagok az erős oxidáló savak hatására elvileg széndioxiddá és vízzé alakulnak át. Ha a nitrogén-oxidok fejlődése megszűnik, akkor további 10 ml tömény salétromsavat adunk a mintához és melegítjük. A mintát lehűtve óvatosan 2-3 ml 30%-os hidrogén-peroxid hozzáadásával segítjük elő a teljes oxidációt. A lombikban levő folyadékelegyet ezután óvatosan szárazra pároljuk és megfigyeljük, hogy a lombik aljára száradó maradék nem barnul-e. Ha igen, az azt jelzi, hogy a minta karamellizálódik, azaz még van szerves anyag tartalma. Ekkor további salétromsav és hidrogén-peroxid adagolással folytatjuk a roncsolást. Amikor a roncsolás teljessé vált, az óvatosan szárazra párolt maradék az eredeti minta szervetlen vegyületeit, elsősorban nitrátjait tartalmazza. Ezt a maradékot 0.1 mol/L salétromsavval oldjuk fel és mérőlombikban adott térfogatra töltjük. Ez az oldat használható fel minőségi és mennyiségi elemzésekre.

Az atmoszférikus nedves roncsolás előnyei:

Minden fő- és nyomelem veszteség nélkül a mintában marad. Nedves roncsolás nem eredményez negatív hibát.

Az atmoszférikus nedves roncsolás hátrányai:

  1. A mintaelőkészítés állandó, folyamatos figyelmet igényel.

  2. A maró hatású savgőzök miatt a munka kényelmetlen, számos munkavédelmi előírás folyamatos betartását igényli (jól húzó vegyi fülke, gumikesztyű, védő álarc).

  3. A roncsoláshoz használt vegyszerek maguk is szennyezettek bizonyos nyomelemekkel. Ezeket nagyobb mennyiségben a mintához adagolva jelentősen elszennyezhetjük a mintát. Az eredetinél akár nagyságrenddel nagyobb koncentrációban kerülhetnek bizonyos elemek a mintához. Emiatt a nedves roncsolással pozitív hibát követünk el.

Nedves roncsolás zárt térben, teflon bombában

Az atmoszférikus nedves roncsolás hátrányainak (fokozott figyelem, egészségkárosító gázok fejlődése, a roncsoló szerek szennyező hatása) kiküszöbölésére került kialakításra a teflon bombás roncsolás.

A teflon bomba belső része egy teflon edény teflon kupakkal, amelyet egy nyomásálló acélköpeny vesz körül, amire menetesen acél kupak csavarható. A kupakban egy acél lemezrugó azt biztosítja, hogy ha a bombában túlnyomás alakulna ki, a rugó megemelkedik, a bomba kinyílik és megszűnik a nyomás. A savgőzök ilyenkor a kupakon levő kis furaton távoznak. Ezzel persze éppen a bombában levő minta tönkre megy, de így nem robban szét a bomba.

A roncsolás során a 2–3 ml folyadékot (például vért, vérszérumot) vagy 0.2–0.5 gramm szilárd mintát a hengeres teflonedénybe mérjük be. A bemért mintához 3–4 ml koncentrált salétromsavat, 1–2 ml 30 %-os hidrogén-peroxidot adunk. Ezután a bomba acél kupakját nyomaték-kulccsal rácsavarjuk a testre és a bombát behelyezzük egy fűtőblokkba, vagy egyszerűen egy szárítószekrénybe. A szárítószekrény hőmérsékletét 150 oC-ra állítjuk be. A bomba körülbelül 1 óra alatt veszi fel szekrény hőmérsékletét. További 1 óra hosszáig ezen a hőmérsékleten tartjuk a bombát. Eközben a zárt bombában kb. 100 bar nyomás alakul ki. Ilyen nagy nyomáson és hőmérsékleten egyrészt a kémiai reakciók sebessége többszörösére nő. Másrészt a mintához adagolt néhány ml roncsoló anyag is elegendő ahhoz, a szerves anyagok teljes mennyisége elvileg széndioxiddá és vízzé alakuljon. Kikapcsoljuk a szárító szekrényt és megvárjuk, hogy a bomba teljesen lehűljön. (Ez további 1 órát vesz igénybe) Ezután (az esetleges kis túlnyomás miatt) óvatosan kinyitjuk a bombát és a tiszta folyadékot átöntjük mérőlombikba és a bombát utána mosva ioncserélt vízzel jelre töltjük. Ezt az oldatot lehet elemzésre felhasználni.

A teflon bombás mintaelőkészítés előnyei:

  1. Kis térfogatú roncsolószer szükséges, ezért kis mértékű a minta szennyeződése.

  2. Kis odafigyelést igényel a művelet.

  3. A zárt rendszer folytán mérgező gázok, gőzök távozásával csak esetlegesen ( a szelep „lefújásakor”) kell számolni.

A teflon bombás mintaelőkészítés hátrányai:

  1. A minta előkészítése viszonylag hosszú időt vesz igénybe (3 óra)

  2. A bomba jóval drágább, mint egy atmoszférikus roncsoló lombik

Mikrohullámmal elősegített nedves roncsolás

Az acélköpenyes teflon bombában végzett előkészítés hátránya a viszonylag hosszú műveleti idő. A nedves roncsolás időtartamának jelentős csökkentése érhető el a mikrohullámmal elősegített nedves roncsolás kidolgozásával. A hosszú előkészítési időt többek között az okozza, hogy a bombában a reakcióelegyet külső hőenergia közléssel melegítjük a kívánt hőmérsékletre. Mikrohullámú energiaközléssel a minta hatékonyabb és gyorsabb felmelegítését érhetjük el. A mikrohullámmal elősegített roncsolásnál megtartjuk a zárttérben nyomás alatt az acélköpenyes teflon bombában végzett eljárás minden előnyét. A változás annyi, hogy az acél köpeny helyett az acél mechanikai sajátságához, nevezetesen hő- és nyomásállóságához hasonló műanyag köpenybe helyezzük a teflon edényt. Ez a 100 bar nyomásnak ellenálló műanyag a poli-éter-éter-keton, rövidítése: PEEK. A minta és roncsoló anyagok bemérése után a PEEK köpenyes bombát lezárjuk. Ezután a lezárt bombát az erre a célra kifejlesztett mikrohullámú szekrénybe helyezzük. Ez a szekrény annyiban tér el a hagyományos háztartási mikrohullámú sütőktől, hogy a szekrény közepén egy nagy szilárdságú műanyagból készült forgó test (rotor) helyezkedik el, amelynek a vájataiba 6 vagy 8 bomba rakható be. A mikrohullámú energia közlése pedig számítógép vezérléssel történik. A legújabb ilyen bombákba hőmérséklet és nyomásérzékelő szondákat is elhelyeznek, amelyek segítségével a roncsolás teljes ideje alatt regisztrálható a hőmérséklet és a nyomás alakulása. A mikrohullámú energiaközlés hatékonysága annak köszönhető, hogy mikrohullámú térben a dipólus molekulák (jelen esetben a vízmolekulák) nagy sebességű rezgő mozgást végeznek, dörzsölik egymást és ezért a reakcióelegy gyorsan felmelegszik anélkül, hogy maga az edényzet melegedne. E ma legmodernebbnek számító módszerrel a minta előkészítés ideje mintegy 20–25 percre csökken.

E módszer egyesíti a minta-előkészítés minden előnyét. Csupán azt lehet hátrányaként felhozni, hogy jóval drágább minden korábban említett eljárásnál.

Ha a roncsoláshoz alkalmazott nagytisztaságú savak nyomelem-tartalmát tovább kívánjuk csökkenteni, akkor úgynevezett forrpont alatti (subboiling) desztillálással állíthatunk elő a még nagyobb tisztaságú roncsolószert.

A nyomelem-analitikában használatos koncentrációegységek

A nyomelem-analitikában a kis koncentrációk jellemzésére a mol/dm3 helyett a korábban a fizikában szilárd mintákra alkalmazott koncentrációegységeket vettük át. Ezeket az egységeket használják a kimutatási határ és a mérési tartomány meghatározásánál is. Ezek az egységek az alábbiak.

A ppm (parts per million) az a koncentráció, melynél a mintában a vizsgált részecske 1 tömegegysége mellett a kísérő anyag 1 millió tömegegysége van jelen. Ebből adódóan a ppm = 10-6 g/g. Miután 10-6 g = 1 µg, valamint híg vizes oldatok esetén 1 g ≈ 1 cm3, így 1 ppm ≈1 µg/cm3. Megjegyzendő, hogy az SI rendszerben továbbra is a µg/cm3 és annak a kisebb egységei az elfogadott koncentrációegységek.

. táblázat -

1 ppm (parts per million) = 1 µg/g ≈ 1 µg/cm31 µg = 10-6 g (mikrogram)
1 ppb (parts per billion) = 1 ng/g ≈ 1 ng/cm31 ng = 10-9 g (nanogram)
1 ppt (parts per trillion) = 1 pg/g ≈ 1 pg/cm3 1 pg = 10-12 g (pikogram)
1 ppq (parts per quadrillon) = 1 fg/g ≈ 1 fg/cm3 1 fg = 10-15 g (femtogram)


Kiértékelési módszerek

Az AAS módszer a legtöbb más műszeres módszerhez hasonlóan relatív analitikai módszer. Ezért a műszert ismert koncentrációjú anyagokkal kalibrálnunk kell. Ezekre a kalibráló oldatokra, anyagokra kapott abszorbancia értékeket ábrázoljuk a koncentráció függvényében. Az ismeretlen minták koncentrációját az így nyert kalibráló vagy mérőgörbe segítségével grafikus úton, illetve a grafikonok számítógépes kiértékelésével határozzuk meg. Az atomabszorpciós analitikában a két leggyakrabban alkalmazott kiértékelő eljárás az összehasonlító és a standard addíciós módszer.

Összehasonlító módszer

Az ismeretlen koncentrációjú oldatok mérését megelőzően ismert koncentrációjú törzsoldatból hígítással oldatsorozatot készítünk az adott elem AAS meghatározásának optimális méréstartományában (az abszorbancia A = 0,1 – 0,8 közötti érték legyen). Ezeket az oldatokat lemérjük és a mérési adatok alapján szerkesztjük meg az analitikai mérőgörbét (kalibráló egyenest vagy görbét). A derékszögű koordináta rendszer függőleges tengelyén (ordinátán) az AAS készülék által mért jelet, jelen esetben az abszorbancia-értékeket, a vízszintes tengelyen (abszcisszán) pedig a kalibráló oldatok koncentrációját ábrázoljuk. Az ismeretlen koncentrációjú mintára a műszer válaszjelét, jelen esetben az abszorbancia-értékét az ordináta tengelyről a vízszintesen a mérőgörbére, onnan pedig merőlegesen az abszcissza tengelyre vetítjük. A vetítő vonal és az abszcissza tengely metszéspontjában olvasható le a minta koncentrációja. Az összehasonlító módszerrel történő kiértékelést a 120. ábrán mutatjuk be.

Az összehasonlító módszer pontossága egyszerű, egy komponenst tartalmazó mintánál az elkészített kalibráló oldatok (kalibráló anyagok) koncentrációjának a pontosságától függ. Ha összetett, többféle kísérő anyagot tartalmazó mintát vizsgálunk, akkor a meghatározás pontosságának az is feltétele, hogy a kalibráló anyag tartalmazza, és azonos koncentrációban tartalmazza mindazokat a kísérőanyagokat, amelyek a mintában előfordulnak. Ezt a feltételt teljesíteni nehéz lenne, de az elérhető, hogy a fontosnak ítélt kísérő komponenseket átlagkoncentrációban hozzáadjuk a kalibráló oldathoz (anyaghoz) is. Az összehasonlító módszert nagyszámú minta sorozatelemzése esetén alkalmazzuk.

120. ábra Összehasonlító módszer kalibráló egyenese réz GFAAS elemzéséhez

Standard addíciós módszer

Az összehasonlító módszer tárgyalásánál jeleztük, hogy a meghatározás pontosságának az is a feltétele, hogy a kísérőanyagok a mintával azonos, vagy legalább átlag-koncentrációban benne legyenek a kalibráló anyagban is. A kísérő anyagokat ismeretlen és/vagy változó koncentrációban tartalmazó mintánál ez a feltétel nehezen lenne megvalósítható. Hogy mégis biztosítható legyen a pontos koncentráció meghatározása, ekkor alkalmazzuk a standard addíciós mérési és kiértékelési eljárást.

A standard addíciós eljárásnál az ismeretlen összetételű mintaoldatból (mintából) öt egyenlő részletet veszünk ki. A vizsgált elemre ismert koncentrációjú standardból, (törzsoldatból) növekvő mennyiségeket (térfogatokat) adunk a kivett mintarészletekhez. Ezáltal egy olyan mintasorhoz jutunk, amely minden tekintetben azonos összetételű, de a vizsgált elemet növekvő koncentrációban tartalmazza. Ezt a sorozatot a műszeren lemérve, a kapott abszorbancia értékeket ugyancsak derékszögű koordináta rendszerben ábrázoljuk. Természetesen az eredeti mintarészletet (amelyhez nem adtunk a standardból) is lemérjük. Az erre kapott abszorbanciát az ordináta tengelyen a „0” abszcisszánál tüntetjük fel. Az ábrázolásnál az abszcissza negatív irányú tengelyét is megrajzoljuk. A pozitív abszcissza tengelyen pedig az úgynevezett „hozzáadott koncentrációkat, vagy anyagmennyiséget” tüntetjük fel. Az így ábrázolt mérési pontokra egyenest kell fektetnünk, amelynek a metszéspontja a negatív irányú abszcissza tengelyen lesz. Ebben a metszéspontban olvasható le az ismeretlen minta koncentrációja. A standard addíciós módszer kiértékelő grafikonját a 121. ábrán mutatjuk be.

121. ábra. Króm meghatározása standard addíciós módszerrel

Az addíció akkor optimális, a meghatározás akkor végezhető el a legkisebb hibával, ha a legnagyobb addíciós tag abszorbancia-értéke az eredeti, nem adalékolt minta jelének körülbelül a kétszerese (121.ábra). A standard addíciós módszernek az összehasonlító módszernél nagyobb pontossága abból adódik, hogy a kalibráló sorozat kísérőanyag tartalma pontosan megegyezik a mintáéval, mivel a vizsgált elemet magába a mintába adagoltuk. Ezért a mintabeviteli és atomizációs folyamatok során fellépő zavaró hatások a kalibráló és a mintaoldatban teljesen megegyeznek.

A standard addíciós módszer hátránya viszont az, hogy a minta-előkészítés és az elemzés ideje is ötszörösére nő. Ezért sorozatelemzéshez nagy munka- és időigénye miatt nem szokás alkalmazni.