Espectroscopia de Absorção Atômica
Espectroscopia de absorção atômica (AAS) e espectroscopia de emissão atômica (AES) é um procedimento espectroanalítico para a determinação quantitativa de elementos químicos por livre átomos no estado gasoso. A espectroscopia de absorção atômica é baseada na absorção de luz por íons metálicos livres.
Na química analítica, a técnica é usada para determinar a concentração de um determinado elemento (o analito) em uma amostra a ser analisada. AAS pode ser usado para determinar mais de 70 elementos diferentes em solução, ou diretamente em amostras sólidas via vaporização eletrotérmica, e é usado em farmacologia, biofísica, pesquisa arqueológica e toxicológica.
A espectroscopia de emissão atômica foi usada pela primeira vez como uma técnica analítica, e os princípios subjacentes foram estabelecidos na segunda metade do século 19 por Robert Wilhelm Bunsen e Gustav Robert Kirchhoff, ambos professores da Universidade de Heidelberg, Alemanha.
A forma moderna de AAS foi amplamente desenvolvida durante a década de 1950 por uma equipe de químicos australianos. Eles foram liderados por Sir Alan Walsh na Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Commonwealth (CSIRO), Divisão de Física Química, em Melbourne, Austrália.
A espectrometria de absorção atômica tem muitos usos em diferentes áreas da química, como análise clínica de metais em fluidos e tecidos biológicos, como sangue total, plasma, urina, saliva, tecido cerebral, fígado, cabelo, tecido muscular. A espectrometria de absorção atômica pode ser usada em análises qualitativas e quantitativas.
Princípios
A técnica faz uso do espectro de absorção atômica de uma amostra para avaliar a concentração de analitos específicos dentro dela. Requer padrões com teor de analito conhecido para estabelecer a relação entre a absorbância medida e a concentração do analito e, portanto, baseia-se na [lei de Lambert-Beer].
Instrumentação
Para analisar uma amostra quanto aos seus constituintes atômicos, ela deve ser atomizada. Os atomizadores mais utilizados atualmente são os atomizadores de chama e eletrotérmicos (tubo de grafite). Os átomos devem então ser irradiados por radiação óptica, e a fonte de radiação pode ser uma fonte de radiação de linha específica de elemento ou uma fonte de radiação contínua. A radiação passa então por um monocromador para separar a radiação específica do elemento de qualquer outra radiação emitida pela fonte de radiação, que é finalmente medida por um detector.
Atomizadores
Os usados atualmente são chamas espectroscópicas e atomizadores eletrotérmicos. Outros atomizadores, como atomização por descarga incandescente, atomização por hidreto ou atomização por vapor frio, podem ser usados para fins especiais.
Atomizadores de chama
Os atomizadores mais antigos e comumente usados em AAS são as chamas, principalmente a chama ar-acetileno com temperatura de cerca de 2300 °C e a chama do sistema de óxido nitroso (N2O)-acetileno com uma temperatura de cerca de 2700 °C. Esta última chama, além disso, oferece um ambiente mais redutor, sendo ideal para analitos com alta afinidade ao oxigênio.
Amostras líquidas ou dissolvidas são normalmente usadas com atomizadores de chama. A solução da amostra é aspirada por um nebulizador analítico pneumático, transformada em aerossol, que é introduzida em uma câmara de spray, onde é misturada com os gases da chama e acondicionada de forma que apenas as gotas mais finas do aerossol (< 10 μm) entrem A chama. Esse processo de condicionamento reduz a interferência, mas apenas cerca de 5% da solução aerossolizada chega à chama por causa disso.
No topo da câmara de pulverização há uma cabeça de queimador que produz uma chama longa lateralmente (geralmente de 5 a 10 cm) e com apenas alguns mm de profundidade. O feixe de radiação passa por esta chama em seu eixo mais longo, e as taxas de fluxo do gás da chama podem ser ajustadas para produzir a maior concentração de átomos livres. A altura do queimador também pode ser ajustada, de modo que o feixe de radiação passe pela zona de maior densidade de nuvens atômicas da chama, resultando em maior sensibilidade.
Os processos em chama incluem as etapas de dessolvatação (secagem) em que o solvente é evaporado e as nanopartículas secas da amostra permanecem, vaporização (transferência para a fase gasosa) em que as partículas sólidas são convertidas em molécula gasosa, atomização na qual as moléculas são dissociadas em átomos livres e ionização onde (dependendo do potencial de ionização dos átomos do analito e da energia disponível em uma determinada chama) os átomos podem ser parcialmente convertidos em íons gasosos.
Cada uma dessas etapas inclui o risco de interferência caso o grau de transferência de fase seja diferente para o analito no padrão de calibração e na amostra. A ionização geralmente é indesejável, pois reduz o número de átomos disponíveis para medição, ou seja, a sensibilidade.
No AAS de chama, um sinal de estado estacionário é gerado durante o período de tempo em que a amostra é aspirada. Essa técnica é normalmente usada para determinações na faixa de mg L−1 e pode ser estendida para alguns μg L−1 para alguns elementos.
Atomizadores eletrotérmicos
O AAS eletrotérmico (ET AAS) usando atomizadores de tubo de grafite foi iniciado por Boris V. L'vov no Instituto Politécnico de São Petersburgo, Rússia, desde o final dos anos 1950, e investigado em paralelo por Hans Massmann no Instituto de Espectroquímica e Aplicada Espectroscopia (ISAS) em Dortmund, Alemanha.
Embora uma grande variedade de designs de tubo de grafite tenha sido usada ao longo dos anos, as dimensões atualmente são tipicamente de 20 a 25 mm de comprimento e 5 a 6 mm de diâmetro interno. Com esta técnica amostras líquidas/dissolvidas, sólidas e gasosas podem ser analisadas diretamente. Um volume medido (normalmente 10–50 μL) ou uma massa pesada (normalmente em torno de 1 mg) de uma amostra sólida é introduzida no tubo de grafite e sujeita a um programa de temperatura. Isso normalmente consiste em etapas, como secagem – o solvente é evaporado; pirólise – a maioria dos constituintes da matriz são removidos; atomização – o elemento analito é liberado para a fase gasosa; e limpeza – eventuais resíduos no tubo de grafite são removidos em alta temperatura.
Os tubos de grafite são aquecidos por meio de sua resistência ôhmica usando uma fonte de alimentação de baixa tensão e alta corrente; a temperatura nos estágios individuais pode ser controlada muito de perto, e as rampas de temperatura entre os estágios individuais facilitam a separação dos componentes da amostra. Os tubos podem ser aquecidos transversalmente ou longitudinalmente, sendo que os primeiros têm a vantagem de uma distribuição de temperatura mais homogênea ao longo de seu comprimento. O chamado conceito de forno de plataforma de temperatura estabilizada (STPF), proposto por Walter Slavin, com base na pesquisa de Boris L'vov, torna o ET AAS essencialmente livre de interferências. Os principais componentes deste conceito são a atomização da amostra a partir de uma plataforma de grafite inserida no tubo de grafite (plataforma L'vov) em vez da parede do tubo, a fim de retardar a atomização até que a fase gasosa no atomizador atinja uma temperatura estável; uso de um modificador químico para estabilizar o analito a uma temperatura de pirólise suficiente para remover a maioria dos componentes da matriz; e integração da absorbância ao longo do tempo do sinal de absorção transiente em vez de usar a absorbância da altura do pico para quantificação.
No ET AAS é gerado um sinal transitório, cuja área é diretamente proporcional à massa do analito (não à sua concentração) introduzido no tubo de grafite. Esta técnica tem a vantagem de poder analisar diretamente qualquer tipo de amostra, sólida, líquida ou gasosa. Sua sensibilidade é 2 a 3 ordens de magnitude maior que a do AAS de chama, de modo que as determinações na faixa baixa de μg L−1 (para um volume de amostra típico de 20 μL) e ng g −1 (para uma massa de amostra típica de 1 mg) pode ser realizada. Ele mostra um grau muito alto de liberdade de interferências, de modo que ET AAS pode ser considerada a técnica mais robusta disponível atualmente para a determinação de elementos-traço em matrizes complexas.
Técnicas de atomização especializadas
Embora vaporizadores eletrotérmicos e de chama sejam as técnicas de atomização mais comuns, vários outros métodos de atomização são utilizados para uso especializado.
Atomização por descarga luminescente
Um dispositivo de descarga luminescente (GD) serve como uma fonte versátil, pois pode introduzir e atomizar simultaneamente a amostra. A descarga incandescente ocorre em uma atmosfera de gás argônio de baixa pressão entre 1 e 10 torr. Nesta atmosfera encontra-se um par de eletrodos aplicando uma tensão DC de 250 a 1000 V para quebrar o gás argônio em íons e elétrons carregados positivamente. Esses íons, sob a influência do campo elétrico, são acelerados na superfície do cátodo que contém a amostra, bombardeando a amostra e causando a ejeção do átomo neutro da amostra através do processo conhecido como sputtering. O vapor atômico produzido por esta descarga é composto de íons, átomos no estado fundamental e fração de átomos excitados. Quando os átomos excitados voltam ao seu estado fundamental, um brilho de baixa intensidade é emitido, dando nome à técnica.
O requisito para amostras de atomizadores de descarga incandescente é que eles sejam condutores elétricos. Consequentemente, os atomizadores são mais comumente usados na análise de metais e outras amostras condutoras. No entanto, com modificações adequadas, pode ser utilizado para analisar amostras líquidas, bem como materiais não condutores, misturando-os com um condutor (por exemplo, grafite).
Atomização de hidreto
As técnicas de geração de hidretos são especializadas em soluções de elementos específicos. A técnica fornece um meio de introduzir amostras contendo arsênico, antimônio, selênio, bismuto e chumbo em um atomizador na fase gasosa. Com esses elementos, a atomização de hidreto aumenta os limites de detecção por um fator de 10 a 100 em comparação com métodos alternativos. A geração de hidreto ocorre adicionando uma solução aquosa acidificada da amostra a uma solução aquosa a 1% de borohidreto de sódio, tudo contido em um recipiente de vidro. O hidreto volátil gerado pela reação que ocorre é arrastado para a câmara de atomização por um gás inerte, onde sofre decomposição. Este processo forma uma forma atomizada do analito, que pode então ser medida por espectrometria de absorção ou emissão.
Atomização por vapor frio
A técnica de vapor frio é um método de atomização limitado apenas para a determinação de mercúrio, por ser o único elemento metálico a ter uma grande pressão de vapor à temperatura ambiente. Por isso, tem um uso importante na determinação de compostos orgânicos de mercúrio em amostras e sua distribuição no ambiente. O método inicia convertendo mercúrio em Hg2+ por oxidação de ácidos nítrico e sulfúrico, seguido por uma redução de Hg2+ com cloreto de estanho(II). O mercúrio é então varrido para um tubo de absorção de passagem longa borbulhando uma corrente de gás inerte através da mistura de reação. A concentração é determinada medindo a absorbância deste gás em 253,7 nm. Os limites de detecção para esta técnica estão na faixa de partes por bilhão, tornando-a um excelente método de atomização para detecção de mercúrio.
Fontes de radiação
Temos que distinguir entre fonte de linha AAS (LS AAS) e fonte contínua AAS (CS AAS). No LS AAS clássico, conforme proposto por Alan Walsh, a alta resolução espectral necessária para as medidas de AAS é fornecida pela própria fonte de radiação que emite o espectro do analito na forma de linhas mais estreitas que as linhas de absorção. Fontes contínuas, como lâmpadas de deutério, são usadas apenas para fins de correção de fundo. A vantagem desta técnica é que apenas um monocromador de média resolução é necessário para medir o AAS; no entanto, tem a desvantagem de normalmente ser necessária uma lâmpada separada para cada elemento a ser determinado. No CS AAS, em contraste, uma única lâmpada, emitindo um espectro contínuo em toda a faixa espectral de interesse, é usada para todos os elementos. Obviamente, um monocromador de alta resolução é necessário para esta técnica, como será discutido mais adiante.
Lâmpadas de cátodo oco
Lâmpadas de cátodo oco (HCL) são a fonte de radiação mais comum em LS AAS. Dentro da lâmpada selada, preenchida com gás argônio ou néon a baixa pressão, há um cátodo metálico cilíndrico contendo o elemento de interesse e um ânodo. Uma alta voltagem é aplicada entre o ânodo e o cátodo, resultando em uma ionização do gás de enchimento. Os íons do gás são acelerados em direção ao cátodo e, com o impacto no cátodo, pulverizam o material do cátodo que é excitado na descarga incandescente para emitir a radiação do material pulverizado, ou seja, o elemento de interesse. Na maioria dos casos, são usadas lâmpadas de elemento único, onde o cátodo é extraído predominantemente de compostos do elemento alvo. As lâmpadas de vários elementos estão disponíveis com combinações de compostos dos elementos alvo pressionados no cátodo. As lâmpadas de vários elementos produzem um pouco menos de sensibilidade do que as lâmpadas de elemento único e as combinações de elementos devem ser selecionadas com cuidado para evitar interferências espectrais. A maioria das lâmpadas de vários elementos combina um punhado de elementos, por exemplo: 2 - 8. Os espectrômetros de absorção atômica podem apresentar apenas 1-2 posições de lâmpada de cátodo oco ou em espectrômetros de vários elementos automatizados, uma posição de lâmpada de 8-12 pode estar normalmente disponível.
Lâmpadas de descarga sem eletrodo
Lâmpadas de descarga sem eletrodo (EDL) contêm uma pequena quantidade do analito como um metal ou um sal em um bulbo de quartzo junto com um gás inerte, normalmente gás argônio, a baixa pressão. A lâmpada é inserida em uma bobina que está gerando um campo eletromagnético de radiofrequência, resultando em uma descarga acoplada indutivamente de baixa pressão na lâmpada. A emissão de um EDL é maior do que a de um HCL, e a largura da linha geralmente é mais estreita, mas os EDLs precisam de uma fonte de alimentação separada e podem precisar de mais tempo para se estabilizar.
Lâmpadas de deutério
Deutério HCL ou mesmo hidrogênio HCL e lâmpadas de descarga de deutério são usadas em LS AAS para fins de correção de fundo. A intensidade da radiação emitida por essas lâmpadas diminui significativamente com o aumento do comprimento de onda, de modo que elas só podem ser usadas na faixa de comprimento de onda entre 190 e cerca de 320 nm.
Fontes contínuas
Quando uma fonte de radiação contínua é usada para AAS, é necessário usar um monocromador de alta resolução, como será discutido mais adiante. Além disso, é necessário que a lâmpada emita radiação de intensidade pelo menos uma ordem de grandeza acima da de um HCL típico em toda a faixa de comprimento de onda de 190 nm a 900 nm. Uma lâmpada especial de arco curto de xenônio de alta pressão, operando em modo de ponto quente, foi desenvolvida para atender a esses requisitos.
Espectrômetro
Como já apontado acima, há uma diferença entre espectrômetros de média resolução que são usados para LS AAS e espectrômetros de alta resolução que são projetados para CS AAS. O espectrômetro inclui o dispositivo de classificação espectral (monocromador) e o detector.
Espectrômetros para LS AAS
No LS AAS, a alta resolução necessária para a medição da absorção atômica é fornecida pela emissão de linha estreita da fonte de radiação, e o monocromador simplesmente precisa resolver a linha analítica de outra radiação emitida pela lâmpada. Isso geralmente pode ser feito com uma passagem de banda entre 0,2 e 2 nm, ou seja, um monocromador de resolução média. Outra característica para tornar o elemento LS AAS específico é a modulação da radiação primária e o uso de um amplificador seletivo sintonizado na mesma frequência de modulação, conforme já postulado por Alan Walsh. Desta forma, qualquer radiação (não modulada) emitida, por exemplo, pelo atomizador pode ser excluída, o que é imperativo para LS AAS. Monocromadores simples do projeto Littrow ou (melhor) Czerny-Turner são normalmente usados para LS AAS. Os tubos fotomultiplicadores são os detectores usados com mais frequência em LS AAS, embora os detectores de estado sólido possam ser preferidos devido à sua melhor relação sinal-ruído.
Espectrômetros para CS AAS
Quando uma fonte de radiação contínua é usada para medição AAS é indispensável trabalhar com um monocromador de alta resolução. A resolução deve ser igual ou melhor que meia largura de uma linha de absorção atômica (cerca de 2 pm) para evitar perdas de sensibilidade e linearidade do gráfico de calibração. A pesquisa com CS AAS de alta resolução (HR) foi iniciada pelos grupos de O'Haver e Harnly nos EUA, que também desenvolveram o (até agora) único espectrômetro multielemento simultâneo para esta técnica. O avanço, no entanto, veio quando o grupo de Becker-Ross em Berlim, na Alemanha, construiu um espectrômetro inteiramente projetado para HR-CS AAS. O primeiro equipamento comercial para HR-CS AAS foi introduzido pela Analytik Jena (Jena, Alemanha) no início do século XXI, com base no projeto proposto por Becker-Ross e Florek. Esses espectrômetros usam um monocromador duplo compacto com um pré-monocromador de prisma e um monocromador de grade echelle para alta resolução. Uma matriz de dispositivo linear de carga acoplada (CCD) com 200 pixels é usada como detector. O segundo monocromador não possui fenda de saída; portanto, o ambiente espectral em ambos os lados da linha analítica torna-se visível em alta resolução. Como normalmente apenas 3 a 5 pixels são usados para medir a absorção atômica, os outros pixels estão disponíveis para fins de correção. Uma dessas correções é a do ruído de oscilação da lâmpada, que independe do comprimento de onda, resultando em medições com nível de ruído muito baixo; outras correções são aquelas para absorção de fundo, como será discutido mais tarde.
Absorção de fundo e correção de fundo
O número relativamente pequeno de linhas de absorção atômica (em comparação com as linhas de emissão atômica) e sua largura estreita (alguns pm) tornam a sobreposição espectral rara; existem apenas alguns exemplos conhecidos de que uma linha de absorção de um elemento se sobrepõe a outro. A absorção molecular, em contraste, é muito mais ampla, de modo que é mais provável que alguma banda de absorção molecular se sobreponha a uma linha atômica. Este tipo de absorção pode ser causado por moléculas não dissociadas de elementos concomitantes da amostra ou por gases de chama. Temos que distinguir entre os espectros de moléculas diatômicas, que exibem uma estrutura fina pronunciada, e aqueles de moléculas maiores (geralmente triatômicas) que não apresentam uma estrutura tão fina. Outra fonte de absorção de fundo, particularmente em ET AAS, é o espalhamento da radiação primária nas partículas que são geradas na etapa de atomização, quando a matriz não pôde ser removida suficientemente na etapa de pirólise.
Todos esses fenômenos, absorção molecular e dispersão de radiação, podem resultar em absorção artificialmente alta e em um cálculo incorretamente alto (errôneo) para a concentração ou massa do analito na amostra. Existem várias técnicas disponíveis para corrigir a absorção de fundo, e elas são significativamente diferentes para LS AAS e HR-CS AAS.
Técnicas de correção de fundo em LS AAS
No LS AAS, a absorção de fundo só pode ser corrigida usando técnicas instrumentais, e todas elas são baseadas em duas medições sequenciais: em primeiro lugar, absorção total (atômica mais fundo), em segundo lugar, apenas absorção de fundo. A diferença das duas medições dá a absorção atômica líquida. Por causa disso, e devido ao uso de dispositivos adicionais no espectrômetro, a relação sinal-ruído dos sinais corrigidos de fundo é sempre significativamente inferior em comparação aos sinais não corrigidos. Também deve ser apontado que em LS AAS não há como corrigir (o raro caso de) uma sobreposição direta de duas linhas atômicas. Em essência, existem três técnicas usadas para correção de fundo em LS AAS:
Correção de fundo de deutério
Esta é a técnica mais antiga e ainda mais utilizada, particularmente para AAS de chama. Nesse caso, uma fonte separada (uma lâmpada de deutério) com ampla emissão é usada para medir a absorção de fundo em toda a largura da fenda de saída do espectrômetro. O uso de uma lâmpada separada torna essa técnica a menos precisa, pois não pode corrigir nenhum fundo estruturado. Também não pode ser usado em comprimentos de onda acima de cerca de 320 nm, pois a intensidade de emissão da lâmpada de deutério torna-se muito fraca. O uso de deutério HCL é preferível em comparação com uma lâmpada de arco devido ao melhor ajuste da imagem da primeira lâmpada com a do analito HCL.
Correção de fundo Smith-Hieftje
Esta técnica (batizada com o nome de seus inventores) é baseada na ampliação de linha e auto-reversão de linhas de emissão de HCL quando alta corrente é aplicada. A absorção total é medida com a corrente normal da lâmpada, ou seja, com uma linha de emissão estreita, e a absorção de fundo após a aplicação de um pulso de alta corrente com o perfil da linha auto-reversa, que tem pouca emissão no comprimento de onda original, mas forte emissão em ambos os lados da linha analítica. A vantagem dessa técnica é que apenas uma fonte de radiação é usada; entre as desvantagens estão que os pulsos de alta corrente reduzem a vida útil da lâmpada e que a técnica só pode ser usada para elementos relativamente voláteis, pois apenas aqueles exibem auto-reversão suficiente para evitar perda dramática de sensibilidade. Outro problema é que o fundo não é medido no mesmo comprimento de onda que a absorção total, tornando a técnica inadequada para corrigir o fundo estruturado.
Correção de fundo com efeito Zeeman
Um campo magnético alternado é aplicado no atomizador (forno de grafite) para dividir a linha de absorção em três componentes, o componente π, que permanece na mesma posição da linha de absorção original, e dois componentes σ, que são movidos para comprimentos de onda maiores e menores, respectivamente. A absorção total é medida sem campo magnético e a absorção de fundo com o campo magnético ligado. O componente π deve ser removido neste caso, por ex. usando um polarizador, e os componentes σ não se sobrepõem ao perfil de emissão da lâmpada, de modo que apenas a absorção de fundo é medida. As vantagens desta técnica são que a absorção total e de fundo são medidas com o mesmo perfil de emissão da mesma lâmpada, de modo que qualquer tipo de fundo, incluindo fundo com estrutura fina, pode ser corrigido com precisão, a menos que a molécula responsável pelo fundo também seja afetada pelo campo magnético e usando um chopper como polarizador reduz a relação sinal-ruído. Enquanto as desvantagens são o aumento da complexidade do espectrômetro e da fonte de alimentação necessária para operar o poderoso ímã necessário para dividir a linha de absorção.
Técnicas de correção de fundo em HR-CS AAS
No HR-CS a correção de fundo AAS é realizada matematicamente no software usando informações de pixels do detector que não são usados para medir a absorção atômica; portanto, ao contrário do LS AAS, nenhum componente adicional é necessário para a correção de fundo.
Correção de fundo usando pixels de correção
Já foi mencionado que no HR-CS AAS o ruído de oscilação da lâmpada é eliminado usando pixels de correção. De fato, qualquer aumento ou diminuição na intensidade da radiação que é observada na mesma extensão em todos os pixels escolhidos para correção é eliminado pelo algoritmo de correção. Obviamente, isso também inclui uma redução da intensidade medida devido à dispersão de radiação ou absorção molecular, que é corrigida da mesma maneira. Como a medição da absorção total e de fundo e a correção para esta última são estritamente simultâneas (em contraste com LS AAS), mesmo as mudanças mais rápidas da absorção de fundo, como podem ser observadas em ET AAS, não causam nenhum problema. Além disso, como o mesmo algoritmo é usado para correção de fundo e eliminação do ruído da lâmpada, os sinais corrigidos de fundo mostram uma relação sinal-ruído muito melhor em comparação com os sinais não corrigidos, o que também contrasta com o LS AAS.
Correção de fundo usando um algoritmo de mínimos quadrados
A técnica acima obviamente não pode corrigir um fundo com estrutura fina, pois neste caso a absorbância será diferente em cada um dos pixels de correção. Neste caso o HR-CS AAS está oferecendo a possibilidade de medir espectros de correção da(s) molécula(s) responsável(eis) pelo background e armazená-los no computador. Esses espectros são então multiplicados por um fator para corresponder à intensidade do espectro de amostra e subtraídos pixel por pixel e espectro por espectro do espectro de amostra usando um algoritmo de mínimos quadrados. Isso pode parecer complexo, mas, antes de tudo, o número de moléculas diatômicas que podem existir nas temperaturas dos atomizadores usados no AAS é relativamente pequeno e, segundo, a correção é realizada pelo computador em poucos segundos. O mesmo algoritmo também pode ser usado para corrigir a sobreposição de linha direta de duas linhas de absorção atômica, tornando HR-CS AAS a única técnica AAS que pode corrigir esse tipo de interferência espectral.