6.2.5 Spectroscopie d’absorption atomique
L’AAS est une technique analytique puissante pour l’analyse d’éléments présents dans des échantillons complexes tels que des échantillons alimentaires et biologiques et environnementaux en mesurant le rayonnement absorbé par l’élément cible.112 Systèmes AAS modernes sont équipés d’une source de rayonnement, d’un atomiseur, d’un monochromateur, d’un système de détection et d’un ordinateur. La démonstration schématique d’un spectromètre d’absorption atomique est représentée à la Fig. 6.3.
Figure 6.3. La démonstration schématique d’un spectromètre d’absorption atomique.
Dans l’analyse basée sur l’AAS, le rayonnement atteignant le monochromateur provient de trois sources. Il s’agit d’un faisceau atténué provenant de la source de rayonnement (c’est-à-dire une lampe à cathode creuse), qui est une émission spécifique; émission des atomes de l’échantillon comprenant à la fois des atomes cibles et des atomes non cibles, qui sont excités par la flamme (émission non spécifique); et le rayonnement résultant de la combustion du carburant pour fournir la flamme. Les systèmes AAS sont conçus et fabriqués pour éliminer les émissions non spécifiques d’atteindre le détecteur. Ceci est accompli en positionnant un monochromateur entre l’atomiseur (c’est-à-dire la flamme) et le détecteur. Le monochromateur dans les systèmes AAS disperse des longueurs d’onde de lumière qui ne sont pas spécifiques à l’élément cible et isole une ligne qui est spécifique. Par conséquent, le rayonnement atteignant le détecteur est la somme du rayonnement du faisceau de source de rayonnement atténué et du rayonnement émis par les atomes d’analyte excités dans l’atomiseur. Étant donné que la quantité de rayonnement absorbée par les atomes de l’élément cible dans la flamme est cruciale, il est nécessaire de corriger l’émission d’atomes d’analyte excités dans la flamme. Ceci est réalisé en utilisant un hacheur de faisceau perpendiculaire au trajet lumineux entre la source de rayonnement et l’atomiseur. L’AAS nécessite l’utilisation de sources de rayonnement dont le spectre d’émission est plus étroit que la largeur de la raie d’absorption des oligo-éléments à analyser. Sinon, de faibles valeurs d’absorbance sont obtenues, ce qui réduit la sensibilité. Les sources de rayonnement utilisées dans les AAS sont des lampes à cathode creuse, des lampes à décharge sans électrode, des sources de lumière continue et des lampes à décharge à vapeur, qui sont efficacement utilisées dans les systèmes AAS. Parmi ces sources de rayonnement, les lampes à cathode creuse sont plus couramment utilisées dans les systèmes AAS.
Une lampe à cathode creuse est constituée d’un tube creux rempli d’un gaz inerte tel que Ne ou Ar dans la plage de pression comprise entre 1 et 5 torr, d’une anode en tungstène, et d’une cathode en forme métallique de l’élément à détecter.113 La représentation schématique d’une lampe à cathode creuse est représentée à la Fig. 6.4. Lorsque la tension (c’est-à-dire 300 V) est appliquée aux électrodes, la lampe à cathode creuse émet un rayonnement caractéristique du métal dans la cathode. Par example, si la cathode est en Fe, un spectre Fe sera émis. Comme le rayonnement traverse la flamme contenant l’échantillon atomisé, seuls les atomes de Fe absorberont ce rayonnement car les longueurs d’onde émises par la lampe à cathode creuse sont spécifiques des atomes de fer. Cela signifie qu’il est nécessaire d’utiliser une lampe différente pour chaque élément à analyser. Cependant, il existe un nombre limité de lampes à plusieurs éléments disponibles dans le commerce qui contiennent des cathodes constituées de plus d’un élément. Des lampes à cathode creuse pour l’analyse d’environ 60 éléments sont disponibles dans le commerce.
Figure 6.4. La représentation schématique d’une lampe à cathode creuse.
D’autre part, les lampes à décharge sans électrode sont utilisées à la fois en spectrométrie d’absorption atomique et de fluorescence atomique. Ce type de lampe ne contient pas d’électrodes mais un récipient en verre creux rempli d’un gaz inerte tel que l’Ar.114 La décharge est produite par une bobine génératrice à haute fréquence plutôt qu’un courant électrique. Les lampes à décharge sans électrode sont pratiques pour l’analyse d’éléments volatils tels que Hg, As et Cd. Le principal inconvénient des lampes à décharge sans électrode est leur courte durée de vie.
La deuxième partie importante de l’AAS est l’atomiseur où l’ion ou les molécules en phase gazeuse sont atomisés au niveau de base. L’efficacité d’atomisation de l’atomiseur a un effet crucial sur la réussite de l’analyse des analyses basées sur AAS. La sensibilité de l’analyse est directement proportionnelle au degré d’atomisation du métal à analyser. Les atomiseurs sont traditionnellement divisés en deux groupes qui sont les atomiseurs à base de flamme et les atomiseurs sans flamme.
Dans le cas d’atomiseurs à flamme, l’échantillon contenant l’analyte est mélangé au mélange gazeux formant la flamme sous forme liquide. Dans ce mélange gazeux, le liquide de l’échantillon est dispersé dans le brouillard. Le mélange résultant est délivré à la tête de flamme et à la flamme qui est la zone de combustion. Enfin le processus d’atomisation est effectué à la flamme. Dans les atomiseurs à flamme, la température de la flamme dépend du type de gaz inflammable et combustible dans le mélange gazeux formant la flamme. L’air / acétylène est le mélange gazeux le plus couramment utilisé. Bien qu’il existe des applications pratiques des atomiseurs à flamme, ce type d’atomiseur présente quelques inconvénients, tels que l’analyse d’un nombre limité d’éléments, ne convenant pas au travail dans la région UV sous vide, des difficultés dans l’analyse de petites quantités d’échantillons, et une faible sensibilité. La conception et le développement d’atomiseurs sans flamme ont conduit à l’élimination de tels problèmes.
Dans les spectrophotomètres à absorption atomique, les systèmes les plus importants développés en tant qu’atomiseurs sont les fours à graphite, également appelés atomiseurs électrothermiques.115 Ces types d’atomiseurs nécessitent une source d’énergie pour être chauffés. De très petits volumes d’échantillons compris entre 5 et 50 µL sont nécessaires et la sensibilité est beaucoup plus élevée que les atomiseurs à flamme. Le principal inconvénient de ce type d’atomiseur est leur coût élevé.
L’AAS a été appliqué avec succès pour l’analyse des polluants de métaux lourds dans des échantillons environnementaux. Par exemple, Naseri et ses collègues ont développé une technique de microextraction liquide–liquide dispersive pour l’analyse sensible des ions Pb2+ dans des échantillons d’eau du robinet, d’eau minérale, d’eau de puits et d’eau de mer. Dans leur étude, le facteur d’enrichissement et les valeurs limites de détection atteintes étaient respectivement de 150 et 0,02 µg L-1.116
Dans une autre étude réalisée par Shamsipur et Ramezani117, la détermination de quantités ultratraces d’ions Au dans des échantillons de minerai de silicate et d’échantillons d’eau du robinet a été réalisée avec succès en utilisant un système AAS avec un four à graphite. A cet effet, une étape de microextraction liquide–liquide dispersive a été appliquée avant l’analyse AAS. Les valeurs de limite de détection et de facteur d’enrichissement obtenues étaient respectivement de 0,005 ng mL-1 et 388.
Dans une étude intéressante rapportée par Ebrahimzadeh et Behbahani118 les ions Pb2+ dans des échantillons d’eau ont été déterminés avec succès en utilisant le système AAS. Dans leur étude, les polymères imprimés par ions ont été préparés pour la préconcentration des ions Pb2 + dans l’eau. La limite de détection s’est avérée être de 0,75 µg L-1.
Leśniewska et ses collègues ont conçu et préparé des polymères à empreinte ionique pour les ions Cr3+ dans des échantillons d’eau de rivière, d’eau du robinet et d’eaux usées municipales.119 Les polymères imprimés ioniques préparés ont été utilisés efficacement pour la préconcentration des ions Cr3+ cibles à partir d’échantillons environnementaux. L’analyse des ions Cr3+ a été réalisée à l’aide d’un système électrothermique AAS. La limite de détection atteinte était de 0,018 ng mL-1.
Dans une autre étude importante, 120 Mohammadi et al. a signalé l’application de systèmes AAS à flamme pour l’analyse sensible des ions Ag + dans des échantillons d’eau. Avant l’analyse des ions cibles Ag+ par AAS, une étape de microextraction liquide–liquide dispersive a été appliquée. Dans leur étude, les valeurs limites de détection et de facteur d’enrichissement ont été obtenues à 1,2 ng mL−1 et 16, respectivement.
Rivas et ses collègues ont analysé avec succès les ions Sb3+–Sb5+ et As3+–As5+ dans des échantillons d’eau de mer, d’eau du robinet et d’eau en bouteille.121 La préconcentration des ions cibles a été réalisée en appliquant une technique de microextraction liquide–liquide dispersive avant leur analyse par AAS. Les valeurs limites de détection atteintes pour As3+ et Sb3+ étaient respectivement de 0,01 et 0,05 µg mL-1. Le facteur d’enrichissement obtenu était de 115.