9.2: Instrumentación de absorción atómica
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Los espectrofotómetros de absorción atómica utilizan bancos ópticos similares a los descritos anteriormente en el Capítulo 7, incluyendo una fuente de radiación, un método para introducir la muestra (cubierto en el apartado anterior), un medio para aislar las longitudes de onda de interés y una manera de medir la cantidad de luz absorbida o emitido.
Fuentes de Radiación
Debido a que las líneas de absorción atómica son estrechas, necesitamos usar una fuente de línea en lugar de una fuente continua para registrar los espectros de absorción atómica. La figura nos\(\PageIndex{1}\) ayudará a entender por qué esto es necesario. Como se discutió en el Capítulo 7, una fuente típica de continuo tiene un ancho de banda efectivo del orden de 1 nm después de pasar a través de un monocromador. Una línea de absorción atómica, como aprendimos en el Capítulo 8, tiene un ancho de línea efectivo del orden de 0.002 nm debido al ensanchamiento Doppler y al ensanchamiento de presión que tiene lugar en una llama. Si pasamos la radiación de una fuente continua a través de la llama, la potencia incidente de la fuente\(P_0\), y la potencia que llega al detector,\(P_t\), son esencialmente idénticas, conduciendo a una absorbancia de cero. Una fuente de línea, que opera una temperatura que es menor que una llama, tiene un ancho de línea del orden de 0.001 nm. El paso de esta fuente de radiación a través de la llama da como resultado una absorbancia medible\(P_T\) y medible.
La fuente de absorción atómica es una lámpara de cátodo hueco que consiste en un cátodo y ánodo encerrados dentro de un tubo de vidrio lleno de una baja presión de un gas inerte, como Ne o Ar (Figura\(\PageIndex{2}\)). La aplicación de un potencial a través de los electrodos ioniza el gas de relleno. Los iones de gas cargados positivamente chocan con el cátodo cargado negativamente, rociando átomos de la superficie del cátodo. Algunos de los átomos de pulverización catódica se encuentran en estado excitado y emiten radiación característica del (de los) metal (es) del (de los) que se fabrica el cátodo. Al modelar el cátodo a partir del analito metálico, una lámpara de cátodo hueco proporciona líneas de emisión que corresponden al espectro de absorción del analito.
Cada elemento en una lámpara de cátodo hueco proporciona varias líneas de emisión atómica que podemos utilizar para la absorción atómica. Por lo general, la longitud de onda que proporciona la mejor sensibilidad es la que elegimos usar, aunque una longitud de onda menos sensible puede ser más apropiada para una muestra que tenga mayor concentración de analito. Para la lámpara de cátodo hueco de Cr en Tabla\(\PageIndex{1}\), la mejor sensibilidad se obtiene usando una longitud de onda de 357.9 nm ya que esta línea requiere la menor concentración de analito para lograr una absorbancia de 0.20.
Otra consideración es la intensidad de la línea de emisión,\(P_0\). Si varias líneas de emisión cumplen con nuestros requisitos de sensibilidad, es posible que deseemos usar la línea de emisión con el P 0 relativo más grande porque hay menos incertidumbre en la medición de P 0 y P T. Al analizar una muestra que es ≈10 mg Cr/L, por ejemplo, las tres primeras longitudes de onda en la Tabla\(\PageIndex{1}\) proporcionan una buena sensibilidad; las longitudes de onda de 425.4 nm y 429.0 nm, sin embargo, tienen un P 0 mayor y proporcionarán menos incertidumbre en la absorbancia medida.
El espectro de emisión para una lámpara de cátodo hueco incluye, además de las líneas de emisión del analito, líneas de emisión adicionales de impurezas presentes en el cátodo metálico y del gas de relleno. Estas líneas adicionales son una fuente potencial de radiación parásita que podría resultar en una desviación instrumental de la ley de Beer. El ancho de hendidura del monocromador se establece lo más ancho posible para mejorar el rendimiento de la radiación y lo suficientemente estrecho como para eliminar estas fuentes de radiación parásita.
Bancos Ópticos
Los espectrómetros de absorción atómica están disponibles utilizando un banco óptico de un solo haz y un banco óptico de doble haz. La figura\(\PageIndex{3}\) muestra un espectrómetro típico de un solo haz, que consiste en una lámpara de cátodo hueco como fuente, una llama, un monocromador de rejilla, un detector (generalmente un tubo fotomultiplador) y un procesador de señales. También se incluye en este diseño un picador que bloquea periódicamente la luz de la lámpara de cátodo hueco para que no pase a través de la llama y llegue al detector. El propósito del picador es proporcionar un medio para discriminar la emisión de luz de la llama, lo que de otro modo contribuirá a la cantidad total de luz que llegue al detector. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\), cuando el picador está cerrado, la única luz que llega al detector es de la llama; la emisión de la llama y la luz de la lámpara después de que pasa a través de la llama llegan al detector cuando el picador está abierto. La diferencia entre las dos señales da la cantidad de luz que llega al detector después de ser absorbida por la muestra. Un método alternativo que logra lo mismo es modular la cantidad de radiación emitida por la lámpara de cátodo hueco.
La figura\(\PageIndex{4}\) muestra la disposición típica de un instrumento de doble haz para espectroscopía de absorción atómica. En este diseño, el picador alterna entre dos trayectorias ópticas: una en la que la luz de la lámpara de cátodo hueco pasa por alto la llama y que mide la emisión total de radiación de la llama y la lámpara, y otra que pasa la luz hueca de la lámpara de cátodo hueco a través de la llama y que mide la emisión de luz de la llama y la cantidad de luz de la lámpara de cátodo hueco que no es absorbida por la muestra. La diferencia entre las dos señales da la cantidad de luz que llega al detector después de ser absorbida por la muestra.
