Atomabsorptionsspektrometrie
1. Aufbau eines Atomabsorptionsspektrometers
Ein Strahler emittiert das Spektrum des zu bestimmenden Elementes. Die zu untersuchende Probe wird in einer Atomisierungseinrichtung verdampft und in den Atomaren Zustand übergeführt. Nach der spektralen Zerlegung wird mit einem Empfänger die Schwächung der Strahlung auf der Resonanzwellenlänge gemessen und nach Verstärkung und entsprechender Umwandlung auf die Anzeige gebracht. So ist die AAS ein Verfahren, bei dem immer nur ein Element nach dem anderen bestimmt werde kann. Für einen Elementwechsel müssen andere Strahler eingesetzt , die Wellenlänge und oft auch einige Betriebsparameter verändert werden.
1.1. Strahlungsquellen
- Hohlkathodenlampe (HKL)
Eine HKL besteht aus einem mit Neon oder Argon unter Druck befüllten Glaszylinder, in dem eine Anode und eine Kathode eingeschmolzen sind. Die Kathode hat die Form eines Hohlzylinders und ist aus dem zu messendem Element gefertigt oder mit ihm gefüllt. Wird eine Spannung von einigen hundert Volt zwischen den Elektroden angelegt, so entsteht eine Glimmentladung. Durch den Strom positiver Gasionen, der auf die Kathode auftrifft, werden Metallatome aus der Oberfläche herausgeschlagen und zur Strahlung angelegt.
- Elektrodenlose Entladungslampe (EDL)
Eine EDL besteht aus einer Quarzkugel, in die unter Argondruck wenige Milligramm eines Elementes oder Salzes eingeschmolzen sind.. Diese befindet sich in der Spule eines Hochfrequenzgenerators und wird mit einer Leistung von einigen Watt angeregt. Elektrodenlose Entladungslampen haben den Vorteil einer ein bis zwei Größenordnungen Strahlungsemission, allerdings sind sie nur für leichter verdampfbare Elemente herstellbar.
Sowohl EKL als auch HKL emittieren im Prinzip nur das Spektrum des Edelgases und des Elementes, aus dem sie gefertigt, bzw. mit dem sie befüllt sind. Manchmal werden auch Mehrelementlampen verwendet, die das Spektrum von mehr als einem Element aussenden.
2. Atomisierungseinrichtung
Als Atomisierungseinrichtung verwendet man Flammen, wobei die Luft-Acetylenflamme und die Lachgas-Acetylenflamme besonders universell verwendbar sind. Die gelöste Probe wird mit einem pneumatischen Zerstäuber in eine Brennerkammer gesprüht, mit dem Brenngas und zusätzlichem Oxidans gemischt und gelangt dann nach dem Abscheiden größerer Lösungströpfchen an Prallflächen als feines Aerosoltröpfchen in die Flamme. In der Flamme wird die Probe verdampft und in die Atome dissoziiert.
3. Meßwertbildung und -ausgabe
Als Empfänger, die den Photonenstrom in ein einen Elektronenstrom umwandeln dienen die Photomultiplier, welche normalerweise den gesamten Spektralbereich umfassen. Bei allen Atomabsorptionsspektrometern wird die Strahlung aus der Strahlungsquelle elektronisch oder mechanisch mit einer Frequenz von 50 Hz moduliert. Ein dem Empfänger nachgeschalteter Verstärker ist auf die passende Modulationsfrequenz abgestimmt. Dadurch wird nur die von der Strahlungsquelle emittierte, elementspezifische Strahlung verstärkt und angezeigt. Die Grundlagen der Messung bildet das Lambert-Beersche Gesetz:
E=_*c*d
Die Extinktion ist direkt proportional der Anzahl der im Strahlengang befindlichen Atome. Bei einer konstanten Anzahl an Atomen im Strahlengang ist eine quantitative Auswertung möglich. Durch die Atomisierung wird zwar ein Teil der vorhandenen Atome unerwünscht angeregt, da aber selbst bei leicht anregbaren Elementen nur etwa 1-3 % der Atome angeregt werden und der Fehler durch gleiche Anteile an angeregten Atomen in den Standards kompensiert wird, ist die Störung zu vernachlässigen.
4. Störungen
Anwesenheit von Begleitsubstanzen neben den zu bestimmenden Element kann Störungen, sogenannte Interferenzen hervorrufen, welche zu einer Fehlmessung führen.
4.1. spektrale Interferenzen
Die einzige wichtige spektrale Interferenz ist die Untergrundabsorption, welche durch die Absorption von Strahlung durch Moleküle gasförmiger Stoffe oder durch Strahlungsstreuung an Partikeln verursacht. Wenn hohe Konzentrationen an Begleitsubstanzen mit der Probe in die Atomisierungseinrichtung gelangen, lassen sich diese nicht immer vollständig verdampfen und in Atome dissoziieren. Diese Partikel in der Atomisierungseinrichtung führen zu einer Strahlungsstreuung, die im Gerät nicht von einer Strahlungsabsorption durch Atome unterschieden werden kann..
4.2. nicht spektrale Interferenzen
Hier wird die Anzahl der Atome des zu bestimmenden Elementes im Absorptionsvolumen direkt beeinflußt. Art und Ausmaß der Störung hängen von der verwendeten Atomisierungseinrichtung ab.
- Transportinterferenzen
Darunter versteht man alle Interferenzen, die die Wirksamkeit der Überführung der Probe bis in die Atomisierunseinrichtung beeinflussen.. Sie tritt hauptsächlich in der Flammen AAS durch den Einsatz von pneumatischen Zerstäubern und Mischkammerbrennern auf. Bei dieser ¬ Verdampfungsinterferenzen
Das sind alle Effekte, die in Anwesenheit einer Begleitsubstanz zu einer Veränderung der Überführungsrate des zu bestimmenden Elementes von der kondensierten in die Gasphase führen
- Gasphaseninterferenzen
Sie können immer dann auftreten, wenn das zu bestimmende Element nicht vollständig in die Atome dissoziiert, wobei die Ursache dafür sein kann, daß das Element in Gegenwart von Begleitsubstanzen eine thermisch stabilere Verbindung bildet, als in ihrer Abwesenheit.
5. Techniken der Atomabsorptionsspektrometrie
5.1. Flammentechnik
Bei der Flammen-AAS wird die gelöste Probe mit Hilfe eines pneumatischen Zerstäubers in die Flamme gesprüht, in der sie in die Atome dissoziiert. Es entsteht ein Meßsignal, dessen Höhe proportional zur Konzentration des zu bestimmenden Elements ist und dessen Dauer von der gewählten Ansaugzeit für die Probelösung abhängt. Aufgrund des nicht sehr günstigen Wirkungsgrades von pneumatischen Zerstäubern, nur ca. 5-10 % der Probelösung werden so fein zerstäubt, daß sie in die Flamme gelangen, und der relativ kurzen Aufenthaltsdauer der Atome im Absorptionsvolumen ist die Flammentechnik nicht sehr empfindlich. Ihr Einsatzgebiet liegt bei Konzentration um1 mg/l. Weil die erhaltenen Signale recht stabil und zeitunabhängig sind, lassen sie sich oft erheblich spreizen, so daß mit der Flammentechnik doch sehr gute Nachweisgrenzen erzielt werden können. Andererseits lassen sich auch hohe Konzentrationen mit Genauigkeit bestimmen, besonders wenn mit weniger empfindlichem Resonanzlinien gearbeitet wird.
Die Flammen AAS weist bei der Wahl der geeigneten Bedingungen, wozu besonders die Wahl der richtigen Flamme zählt, relativ wenige Störungen auf. Außerdem sind die Störungen bekannt und Methoden zur Beseitigung beschrieben, so daß keine weiteren Probleme auftreten. Daher wird die Flammen AAS für Routineanalysen in fast allen Bereichen der Analytik von der Medizin und Biochemie über die Analyse von Lebensmitteln, Bodenproben, Wasser, Gesteine, bis hin zur Umweltanalytik, Metallurgie und Petrochemie eingesetzt.
5.2. Graphitrohrofentechnik
Bei der Graphitrohrofen AAS werden gelöste Proben mit Hilfe einer Mikropipette in ein Graphitrohr dosiert, durch stufenweises Aufheizen vom Lösungsmittel und anderen Begleitsubstanzen befreit, und schließlich atomisiert. Genauso lassen sich auch feste Proben direkt eingeben und analysieren. Es entsteht ein Meßsignal, dessen Fläche proportional zu der Masse des zu bestimmenden Elements ist. Die Konzentrationen der ursprünglichen Lösung läßt sich über das dosierte Probenvolumen berechnen.
Da bei der Graphitrohrofen AAS der Zerstäuber mit seinem schlechten Wirkungsgrad umgangen und die gesamte in der Probe enthaltenen Elementmasse innerhalb von etwa 1-2 Sekunden atomisiert wird, sind die Nachweisgrenzen dieses Verfahrens um etwa 2-3 Zehnerpotenzen besser als die de Flammen AAS. Der Meßbereich liegt hier in der Größenordnung von Nanogramm und Pikogramm, bzw. von Dosiervolumina von 10-50 µl im Konzentrationsbereich von µg/l bis ng/l.
Durch die bei dieser Technik erforderliche Vorbehandlung der Probe wird die Meßfolge in der Graphitrohrofen AAS relativ langsam. Dieser Nachteil wird aber durch die hohe Empfindlichkeit des Verfahrens mehr als ausgeglichen, da viele Proben ohne aufwendige externe Probenvorbereitung und -anreicherung direkt analysiert werden können. Die Graphitrohrofen AAS ist eines der nachweisstärksten Verfahren zur Elementbestimmung und hat sich daher rasch einen festen Platz in der Spuren- und Ultraspurenanalytik gesichert. Aufgaben aus der Umweltanalytik und der Analyse biologischer Materialien stehen heute im Vordergrund beim Einsatz der Graphitrohrofen AAS. Außerdem finden sich noch viele weitere Anwendungsbereiche im Nahbereich der Analytik, wo es um die Bestimmung kleinster Elementspuren geht.
5.3. Hydrid-Technik
Bei dieser Technik wird die angesäuerte Probe in einem Reaktionsgefäß mit Natriumborhydrid versetzt. Einige Elemente bilden unter diesen Bedingungen gasförmige Hydride, wie Zinnhydrid, Arsenhydrid, Antimonhydrid, Bismuthydrid, Selenhydrid und Tellurhydrid. Diese leitet man in eine Flamme oder besser in eine beheizte Quarzküvette, in der sie thermisch zersetzt und in Gegenwart von Wasser atomisiert werden. Das beobachtet Signal ist wie in der Graphitrohrofen AAS proportional zur Masse des zu bestimmenden Elements.
Da nur sehr wenige Elemente unter diesen Bedingungen verflüchtigt werden sind bei dieser Technik spektrale Interferenzen ziemlich unwahrscheinlich. Auch Gasphaseninterferenzen sind kaum zu erwarten, außer einer gegenseitigen Beeinflussung der hydridbildenden Elemente untereinander. Die einzige Störung, die hier versteckt zu beobachten ist besteht in einer Behinderung der Hydridentwicklung und der Austreibung aus der Meßlösung, hauptsächlich durch einige Übergangsmetalle wie Kupfer oder Nickel. Eine weitere Besonderheit der Hydrid-Technik besteht darin, daß die verschiedenen Oxidationsstufen der zu bestimmenden Elemente zum teil recht unterschiedliche Signale geben.
Die absoluten Nachweisgrenzen der Hydrid-Technik sind um fast zwei Zehnerpotenzen schlechter als die der Graphitrohrtechnik. Da aber bei der Hydridtechnik ein fast tausendfach größeres Probenvolumen eingesetzt werden kann, sind die relativen Nachweisgrenzen um fast eine Zehnerpotenz besser. Damit ist die Hydridtechnik das Verfahren der Wahl, wenn für die erfassbaren Elemente höchste Empfindlichkeit gefordert ist. Darüber hinaus bietet diese Technik die Möglichkeit der getrennten Bestimmung unterschiedlicher Oxidationsstufen.
5.4. Kaltdamfptechnik
Häufig gestellte Fragen
Was ist Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)?
Atomabsorptionsspektrometrie ist eine analytische Technik, bei der die Absorption von Licht durch freie Atome zur quantitativen Bestimmung eines Elements in einer Probe gemessen wird. Es wird immer nur ein Element nach dem anderen bestimmt. Für einen Elementwechsel müssen andere Strahler eingesetzt , die Wellenlänge und oft auch einige Betriebsparameter verändert werden.
Wie ist ein Atomabsorptionsspektrometer aufgebaut?
Ein Atomabsorptionsspektrometer besteht aus einer Strahlungsquelle (z.B. Hohlkathodenlampe oder elektrodenlose Entladungslampe), einer Atomisierungseinrichtung (Flamme oder Graphitrohrofen), einem Monochromator zur spektralen Zerlegung, einem Detektor zur Messung der Strahlungsabsorption und einer Auswerteeinheit.
Welche Strahlungsquellen werden in der AAS verwendet?
Hauptsächlich werden Hohlkathodenlampen (HKL) und elektrodenlose Entladungslampen (EDL) verwendet. HKLs emittieren das Spektrum des zu bestimmenden Elements, während EDLs eine höhere Strahlungsemission bieten, aber nur für leichter verdampfbare Elemente geeignet sind.
Wie funktioniert eine Hohlkathodenlampe (HKL)?
Eine HKL besteht aus einem mit Neon oder Argon gefüllten Glaszylinder, in dem sich eine Anode und eine Kathode aus dem zu messenden Element befinden. Durch eine angelegte Spannung entsteht eine Glimmentladung, die Metallatome aus der Kathode herausschlägt und zur Strahlung anregt.
Wie funktioniert eine elektrodenlose Entladungslampe (EDL)?
Eine EDL besteht aus einer Quarzkugel, in die unter Argondruck eine kleine Menge des Elements oder Salzes eingeschmolzen ist. Diese wird in der Spule eines Hochfrequenzgenerators angeregt, was zur Emission von Strahlung führt.
Welche Atomisierungseinrichtungen gibt es in der AAS?
Als Atomisierungseinrichtungen werden Flammen (Luft-Acetylenflamme und Lachgas-Acetylenflamme) und Graphitrohröfen verwendet. In der Flamme wird die Probe verdampft und atomisiert, während der Graphitrohrofen eine höhere Empfindlichkeit bietet.
Wie funktioniert die Flammen-AAS?
Bei der Flammen-AAS wird die gelöste Probe in eine Flamme gesprüht, wo sie atomisiert wird. Die Absorption der Strahlung durch die Atome wird gemessen und ist proportional zur Konzentration des Elements.
Wie funktioniert die Graphitrohrofen-AAS?
Bei der Graphitrohrofen-AAS wird die Probe in ein Graphitrohr dosiert, erhitzt und atomisiert. Die Absorption der Strahlung durch die Atome wird gemessen und ist proportional zur Masse des Elements.
Was ist die Hydrid-Technik in der AAS?
Bei der Hydrid-Technik werden einige Elemente mit Natriumborhydrid in gasförmige Hydride umgewandelt, die in eine Flamme oder beheizte Quarzküvette geleitet werden, wo sie thermisch zersetzt und atomisiert werden.
Was ist die Kaltdampftechnik in der AAS?
Die Kaltdampftechnik wird ausschließlich zur Bestimmung von Quecksilber verwendet. Quecksilber wird aus seinen Verbindungen freigesetzt und mit einem Trägergasstrom in eine Absorptionsküvette geleitet.
Was sind Störungen in der AAS?
Störungen in der AAS können spektrale Interferenzen (z.B. Untergrundabsorption) oder nicht-spektrale Interferenzen (z.B. Transport-, Verdampfungs- oder Gasphaseninterferenzen) sein, die die Messung beeinflussen.
Was sind spektrale Interferenzen in der AAS?
Die wichtigste spektrale Interferenz ist die Untergrundabsorption, die durch die Absorption von Strahlung durch Moleküle oder Strahlungsstreuung an Partikeln verursacht wird.
Was sind nicht-spektrale Interferenzen in der AAS?
Nicht-spektrale Interferenzen beeinflussen direkt die Anzahl der Atome des zu bestimmenden Elements im Absorptionsvolumen. Beispiele sind Transportinterferenzen, Verdampfungsinterferenzen und Gasphaseninterferenzen.
Was sind Transportinterferenzen?
Transportinterferenzen beeinflussen die Effizienz der Überführung der Probe in die Atomisierungseinrichtung, insbesondere bei der Flammen-AAS mit pneumatischen Zerstäubern.
Was sind Verdampfungsinterferenzen?
Verdampfungsinterferenzen sind Effekte, die in Anwesenheit einer Begleitsubstanz zu einer Veränderung der Überführungsrate des zu bestimmenden Elements von der kondensierten in die Gasphase führen.
Was sind Gasphaseninterferenzen?
Gasphaseninterferenzen treten auf, wenn das zu bestimmende Element nicht vollständig in Atome dissoziiert, z.B. wenn es in Gegenwart von Begleitsubstanzen eine thermisch stabilere Verbindung bildet.
Was sind die Anwendungsbereiche der Flammen-AAS?
Die Flammen-AAS wird für Routineanalysen in vielen Bereichen eingesetzt, wie z.B. Medizin, Biochemie, Lebensmittelanalyse, Bodenprobenanalyse, Wasseranalyse, Gesteinsanalyse, Umweltanalytik, Metallurgie und Petrochemie.
Was sind die Anwendungsbereiche der Graphitrohrofen-AAS?
Die Graphitrohrofen-AAS wird in der Spuren- und Ultraspurenanalytik eingesetzt, insbesondere in der Umweltanalytik und der Analyse biologischer Materialien.
Was sind die Anwendungsbereiche der Hydrid-Technik?
Die Hydrid-Technik wird eingesetzt, wenn höchste Empfindlichkeit für die erfassbaren Elemente gefordert ist. Außerdem bietet diese Technik die Möglichkeit der getrennten Bestimmung unterschiedlicher Oxidationsstufen.
Was sind die Anwendungsbereiche der Kaltdampftechnik?
Die Kaltdampftechnik wird zur Bestimmung von Quecksilber eingesetzt, da sie sehr empfindlich und spezifisch für dieses Element ist.
- Arbeit zitieren
- Judith Weber (Autor:in), 2000, Atomabsorbtionsspektrometrie, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/97746
