6.2.5 Atomabsorptionsspektroskopie
AAS ist eine leistungsstarke Analysetechnik zur Analyse von Elementen, die in komplexen Proben wie Lebensmitteln sowie biologischen und Umweltproben vorhanden sind, indem die vom Zielelement absorbierte Strahlung gemessen wird.112 Moderne AAS-Systeme sind mit einer Strahlungsquelle, einem Zerstäuber, einem Monochromator, einem Detektorsystem und einem Computer ausgestattet. Die schematische Darstellung eines Atomabsorptionsspektrometers ist in Fig. 6.3.
Abbildung 6.3. Die schematische Demonstration eines Atomabsorptionsspektrometers.
In der AAS-basierten Analyse kommt die Strahlung, die den Monochromator erreicht, aus drei Quellen. Hierbei handelt es sich um einen abgeschwächten Strahl von der Strahlungsquelle (d. H. Hohlkathodenlampe), der eine spezifische Emission darstellt; Emission von den Atomen der Probe, einschließlich Ziel- und Nichtzielatomen, die von der Flamme angeregt werden (unspezifische Emission); und Strahlung, die aus der Kraftstoffverbrennung resultiert, um die Flamme bereitzustellen. AAS-Systeme wurden entwickelt und hergestellt, um zu verhindern, dass unspezifische Emissionen den Detektor erreichen. Dies wird erreicht, indem ein Monochromator zwischen dem Zerstäuber (d. H. Der Flamme) und dem Detektor positioniert wird. Der Monochromator in AAS-Systemen streut Wellenlängen des Lichts, die nicht spezifisch für das Zielelement sind, und isoliert eine Linie, die spezifisch ist. Die zum Detektor gelangende Strahlung ist daher die Summe der Strahlung des abgeschwächten Strahlungsquellenstrahls und der Strahlung, die von angeregten Analytatomen im Zerstäuber emittiert wird. Da die Menge der von Atomen des Zielelements in der Flamme absorbierten Strahlung entscheidend ist, ist es notwendig, die Emission von angeregten Analytatomen in der Flamme zu korrigieren. Dies geschieht durch Verwendung eines Strahlzerhackers senkrecht zum Lichtweg zwischen der Strahlungsquelle und dem Zerstäuber. AAS erfordert die Verwendung von Strahlungsquellen, die ein engeres Emissionsspektrum aufweisen als die Absorptionslinienbreite der zu analysierenden Spurenelemente. Andernfalls werden niedrige Extinktionswerte erhalten, was die Empfindlichkeit verringert. Strahlungsquellen, die in AAS verwendet werden, sind Hohlkathodenlampen, elektrodenlose Entladungslampen, Dauerlichtquellen und Dampfentladungslampen, die in AAS-Systemen effizient eingesetzt werden. Unter diesen Strahlungsquellen werden Hohlkathodenlampen häufiger in AAS-Systemen verwendet.
Eine Hohlkathodenlampe besteht aus einem Hohlrohr, das mit einem Inertgas wie Ne oder Ar im Druckbereich zwischen 1 und 5 torr gefüllt ist, einer Anode aus Wolfram und einer Kathode aus der metallischen Form des zu detektierenden Elements.113 ist die schematische Darstellung einer Hohlkathodenlampe in Fig. 6.4. Bei Anlegen einer Spannung (d.h. 300 V) an die Elektroden emittiert die Hohlkathodenlampe Strahlung, die für das Metall in der Kathode charakteristisch ist. Wenn beispielsweise die Kathode aus Fe besteht, wird ein Fe-Spektrum emittiert. Da die Strahlung durch die Flamme mit der zerstäubten Probe hindurchtritt, absorbieren nur Fe-Atome diese Strahlung, da die von der Hohlkathodenlampe emittierten Wellenlängen spezifisch für Eisenatome sind. Dies bedeutet, dass für jedes zu analysierende Element eine andere Lampe verwendet werden muss. Es gibt jedoch eine begrenzte Anzahl von kommerziell erhältlichen Multielementlampen, die Kathoden aus mehr als einem Element enthalten. Hohlkathodenlampen zur Analyse von ca.60 Elementen sind im Handel erhältlich.
Abbildung 6.4. Die schematische Darstellung einer Hohlkathodenlampe.
Andererseits werden elektrodenlose Entladungslampen sowohl in der Atomabsorptions- als auch in der Atomfluoreszenzspektrometrie verwendet. Dieser Lampentyp enthält keine Elektroden, sondern ein hohles Glasgefäß, das mit einem Inertgas wie Ar gefüllt ist.114 Die Entladung wird durch eine Hochfrequenzgeneratorspule anstelle eines elektrischen Stroms erzeugt. Elektrodenlose Entladungslampen eignen sich für die Analyse flüchtiger Elemente wie Hg, As und Cd. Der Hauptnachteil von elektrodenlosen Entladungslampen ist ihre kurze Lebensdauer.
Der zweite wichtige Teil des AAS ist der Zerstäuber, in dem das Ion oder die Moleküle in der Gasphase auf der Grundebene zerstäubt werden. Die Zerstäubungseffizienz des Zerstäubers hat einen entscheidenden Einfluss auf die erfolgreiche Analyse von AAS-basierten Analysen. Die Empfindlichkeit der Analyse ist direkt proportional zum Zerstäubungsgrad des zu analysierenden Metalls. Zerstäuber werden traditionell in zwei Gruppen unterteilt, die flammenbasierte Zerstäuber und flammenlose Zerstäuber sind.
Bei Flammenzerstäubern wird die den Analyten enthaltende Probe mit dem die Flamme bildenden Gasgemisch in flüssiger Form vermischt. In diesem Gasgemisch wird die Probenflüssigkeit in den Nebel dispergiert. Das resultierende Gemisch wird dem Flammenkopf und der Flamme, die die Verbrennungszone darstellt, zugeführt. Schließlich wird der Zerstäubungsprozess in Flamme durchgeführt. Bei Flammenzerstäubern hängt die Flammentemperatur von der Art des brennbaren und brennbaren Gases in dem die Flamme bildenden Gasgemisch ab. Luft/Acetylen ist das am häufigsten verwendete Gasgemisch. Obwohl es praktische Anwendungen von Flammenzerstäubern gibt, weist dieser Zerstäubertyp einige Nachteile auf, wie die Analyse einer begrenzten Anzahl von Elementen, die nicht für das Arbeiten im Vakuum-UV-Bereich geeignet sind, Schwierigkeiten bei der Analyse kleiner Probenmengen und eine geringe Empfindlichkeit. Das Design und die Entwicklung von flammenlosen Zerstäubern hat zur Beseitigung solcher Probleme geführt.
In Atomabsorptionsspektralphotometern sind die wichtigsten als Zerstäuber entwickelten Systeme die Graphitöfen, die auch als elektrothermische Zerstäuber bezeichnet werden.115 Diese Arten Zerstäuber erfordern eine Energiequelle erhitzt zu werden. Es werden sehr kleine Probenvolumina im Bereich zwischen 5 und 50 µL benötigt und die Empfindlichkeit ist viel höher als bei Flammenzerstäubern. Der Hauptnachteil dieser Art von Zerstäuber sind ihre hohen Kosten.
AAS wurde erfolgreich für die Analyse von Schwermetallschadstoffen in Umweltproben eingesetzt. Zum Beispiel entwickelten Naseri und Kollegen eine dispersive Flüssig–Flüssig-Mikroextraktionstechnik für die empfindliche Analyse von Pb2 + -Ionen in Leitungswasser-, Mineralwasser-, Brunnenwasser- und Meerwasserproben. In ihrer Studie wurden Anreicherungsfaktor und Nachweisgrenzwerte von 150 bzw. 0,02 µg L−1 erreicht.116
In einer weiteren Studie von Shamsipur und Ramezani117 wurde die Bestimmung von Ultraspurmengen von Au-Ionen in Silikaterzproben und Leitungswasserproben erfolgreich unter Verwendung eines AAS-Systems mit einem Graphitofen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde vor der AAS–Analyse ein dispersiver Flüssig-Flüssig-Mikroextraktionsschritt angewendet. Die erhaltenen Nachweisgrenzen- und Anreicherungsfaktorwerte betrugen 0,005 ng mL-1 bzw. 388.
In einer interessanten Studie, die von Ebrahimzadeh und Behbahani berichtet Wurde118 Pb2 + -Ionen in Wasserproben wurden erfolgreich mit dem AAS-System bestimmt. In ihrer Studie wurden die ionengeprägten Polymere für die Vorkonzentration von Pb2+-Ionen in Wasser vorbereitet. Die Nachweisgrenze lag bei 0,75 µg L-1.
Leśniewska und Mitarbeiter entwarfen und bereiteten ionengeprägte Polymere gegen Cr3 + -Ionen in Flusswasser-, Leitungswasser- und kommunalen Abwasserproben vor.119 Die hergestellten ionenprägten Polymere wurden effizient für die Vorkonzentration der Ziel-Cr3+-Ionen aus Umweltproben verwendet. Die Analyse von Cr3+ -Ionen wurde unter Verwendung eines elektrothermischen AAS-Systems durchgeführt. Die erreichte Nachweisgrenze lag bei 0,018 ng mL−1.
In einer weiteren wichtigen Studie,120 Mohammadi et al. berichtete über die Anwendung von Flame AAS-Systemen zur sensitiven Analyse von Ag + -Ionen in Wasserproben. Vor der Analyse der Ziel-Ag + -Ionen durch AAS wurde ein dispersiver Flüssig–Flüssig-Mikroextraktionsschritt angewendet. In ihrer Studie wurden die Nachweisgrenze und die Anreicherungsfaktorwerte als 1,2 ng mL−1 bzw. 16 erhalten.Rivas und seine Mitarbeiter analysierten erfolgreich Sb3+–Sb5+– und As3+-As5+-Ionen in Meerwasser-, Leitungswasser- und Flaschenwasserproben.121 Die Vorkonzentration von Zielionen wurde durch Anwendung einer dispersiven Flüssig–Flüssig-Mikroextraktionstechnik vor ihrer Analyse durch AAS durchgeführt. Die Nachweisgrenze für As3+ und Sb3+ betrug 0,01 bzw. 0,05 µg mL-1. Der erhaltene Anreicherungsfaktor betrug 115.