25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
SPETTROSCOPIA DI
ASSORBIMENTO
ATOMICO
INTERAZIONI TRA RADIAZIONI E MATERIA
Quando una radiazione elettromagnetica interagisce con la materia, può verificarsi un
trasferimento di energia dalla radiazione alla materia (eccitazione) cui segue la completa
restituzione di energia sotto diverse forme (rilassamento).
Assorbimento ed emissione di energia radiante da parte della materia
A temperatura ambiente atomi e molecole si trovano
nello stato fondamentale (minima energia).
Quando vengono sollecitati da una opportuna quantità
di energia (∆E), passano in uno stato eccitato a
maggiore energia (assorbimento).
+ ∆E
ASSORBIMENTO
ASSORBIMENTO
Lo stato eccitato non è stabile e dura per tempi
brevissimi, perché atomi e molecole tendono a
ritornare quasi istantaneamente nello stato di
partenza, restituendo all’ambiente l’energia assorbita.
Se tale restituzione avviene sotto forma di energia
radiante, si parla più propriamente di emissione.
- ∆E
EMISSIONE
EMISSIONE
Dr.ssa M. Agamennone
1
25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
ASSORBIMENTO
L’assorbimento è l’acquisizione, da parte della materia, della energia di radiazioni
elettromagnetiche.
L’assorbimento avviene in tempi brevissimi (10-15 s) e, nella maggior parte dei casi è
seguito immediatamente da una rapida (10-14 ÷ 10-7 s) riemissione dell’energia
assorbita sotto forma di calore, in seguito a urti con gli atomi o con le molecole vicini.
Durante questo processo non viene prodotta energia radiante.
Le radiazioni elettromagnetiche coinvolte possono essere di vario tipo:
• le radiofrequenze (cioè quelle a minore energia) riescono solo a interagire con lo spin
di alcuni nuclei;
• le microonde inducono rotazione nelle molecole;
• le radiazioni IR amplificano le naturali oscillazioni dei legami molecolari;
• le radiazioni UV/visibile riescono a eccitare gli elettroni di valenza;
• i raggi X riescono addirittura ad estrarre gli elettroni più vicini al nucleo.
La tecnica di analisi è la “spettroscopia di assorbimento atomico e molecolare”.
ASSORBIMENTO ATOMICO
Gli atomi liberi, quando assorbono energia radiante, danno luogo solo a transizioni
elettroniche, che sono quantizzate, e quindi si possono registrare spettri di righe.
Spettro visibile
Spettro di
assorbimento atomico
Ogni atomo ha un caratteristico spettro di assorbimento, dovuto alla specifica
distribuzione energetica degli orbitali.
In ogni spettro atomico si distinguono diverse serie di righe, secondo l’orbitale di partenza
degli elettroni coinvolti nella transizione. Questo dipende dallo stato di eccitazione
dell’atomo e dalla temperatura.
Gli atomi allo stato libero non possono dare luogo a transizioni vibrazionali o rotazionali.
Le transizioni nucleari necessitano di E maggiori (= frequenze maggiori).
Dr.ssa M. Agamennone
2
25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
Visibile
UV vicino
IR vicino
Serie principale
(transizioni 3s → np (n = 3, 4, 5,…, ¥)
864 3
2
1
Serie diffusa
(transizioni 3p → nd (n = 3, 4, 5,…, ¥)
12
11
9
10
Serie netta (o stretta)
(transizioni 3p → ns (n = 4, 5, 6,…, ¥)
16
15
14
10
Serie fondamentale (o di Bergmann)
(transizioni 3d → nf (n = 4, 5, 6,…, ¥)
19
200
300
400
500
Lunghezza d’onda (nm)
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1800 1900
Spettro di assorbimento atomico del sodio (a 3000 K), registrato su lastra o pellicola
fotografica.
Lo spettro è stato “smontato” in quattro parti, che corrispondono ad altrettante serie di righe. Le serie di
righe corrispondono ai diversi tipi di transizioni. L’area in grigio rappresenta la regione del continuo e le
righe tratteggiate (numero 8, 12, 16 e 19) il limite di ciascuna serie. Le righe di ogni serie tendono ad
infittirsi verso le lunghezze d’onda minori, al punto da non essere più rappresentabili.
E (eV)
5
6s
4.5
8p9p
7p
6p
5p
5f
5d
4d
5s
4
4p
3d
3.5
4s
3
2.5
13 15
1416
9 11
10 12
3p
2
3s → np, con n = 3, 4, 5, 6,…
1
12345678
Serie diffusa:
3p → nd, con n = 3, 4, 5, 6,…
Serie netta (o stretta):
0.5
Dr.ssa M. Agamennone
18
1719
Serie principale:
1.5
0
4f
Diagramma semplificato dei livelli di
energia dell’atomo di sodio.
Le frecce colorate in rosso (intere)
indicano
le
principali
transizioni
elettroniche che possono avvenire in
seguito all’assorbimento di radiazioni di
una determinata lunghezza d’onda. Le
frecce marroni (tratteggiate) indicano il
limite di ciascuna serie: a lunghezze
d’onda minori di questa (cioè con
radiazioni più energetiche), l’elettrone
viene espulso e l’atomo si ionizza. Le
transizioni danno origine, nello spettro di
assorbimento a quattro serie di righe.
3s
3p → ns, con n = 4, 5, 6,…
Serie fondamentale (o di Bergmann):
3d → nf, con n = 4, 5,…
3
25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
SPETTRO DI ASSORBIMENTO ATOMICO DELL’ATOMO DI H
Tutte le righe dello spettro sono doppie perché ogni elettrone può avere 2 stati di
spin pressoché isoenergetici.
Spettroscopia di assorbimento
La spettroscopia è la tecnica di separazione e rivelazione delle variazioni di energia subite
dalla materia.
Il dispositivo più semplice per la spettroscopia di assorbimento è costituito da:
• Una sorgente di radiazioni
• Un monocromatore
• Un rivelatore
Sorgente
Campione
Monocromatore
Rivelatore
Sistema di elaborazione
del segnale
Il monocromatore suddivide la radiazione uscente dal campione nelle diverse componenti
monocromatiche.
Il rivelatore raccoglie le radiazioni in uscita dal campione e consente di confrontarne
l’intensità con quella delle radiazioni in ingresso (emesse dalla sorgente).
Quando il rivelatore è l’occhio umano o una lastra fotografica, gli strumenti che si basano su
questo schema, sono detti spettroscopi.
Dr.ssa M. Agamennone
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25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
Spettrofotometro per assorbimento atomico
Sorgente
Comparto celle
Monocromatore
Rivelatore
Raggio
campione
pulsato
Sistema di
atomizzazione
Elemento
disperdente
Sistema elaborazione
segnali e presentazione
dati
Microprocessore
Display
interfaccia
Video
Filtro
Tastiera
Stampante
Chopper
CAMPIONE
SORGENTE
DETECTOR
Dr.ssa M. Agamennone
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25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
Spettroscopia di assorbimento
La spettroscopia di assorbimento atomico può esser utilizzata sia per l’analisi
qualitativa dei campioni sia per l’analisi quantitativa.
Nell’analisi quantitativa si lavora con una radiazione monocromatica, di cui si
misura l’intensità in uscita dal campione e si confronta con quella in entrata.
Nell’analisi qualitativa, invece, l’intensità della radiazione in uscita viene
confrontata con quella in entrata per tutte le lunghezze d’onda. Il tracciato che si
ottiene mostra l’assorbimento del campione al variare della lunghezza d’onda:
spettro di assorbimento.
SORGENTI
L’assorbimento atomico è utilizzato quasi esclusivamente nell’analisi quantitativa, in cui
non è richiesta la registrazione di spettri. Pertanto non è necessario che la lampada
emetta in tutto il campo spettrale, anzi è indispensabile disporre di sorgenti che emettano
spettri di righe.
Infatti le sorgenti a spettro continuo forniscono bande passanti troppo ampie (dell’ordine
di 0.1 nm, se il monocromatore è molto efficiente) rispetto alle bande di assorbimento
atomico (0.002 nm). Di conseguenza, per evitare che l’energia assorbita dal campione sia,
in percentuale troppo bassa rispetto a quella emessa dalla lampada (e quindi difficile da
rilevare) è necessario usare radiazioni monocromatiche.
Le radiazioni della sorgente devono essere anche molto intense, per compensare le
dispersioni di energia che si verificano nel sistema ottico (specchi e monocromatore). I
tipi di sorgente più usati sono tre:
• Lampada a catodo cavo
• Lampada a scarica elettrodica di gas
• Lampada a scarica di radiofrequenza
Dr.ssa M. Agamennone
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25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
LAMPADE A CATODO CAVO
(Hollow Cathode Lamp)
Sono le sorgenti più usate, anche se presentano qualche problema per l'analisi di
metalli alcalini e di elementi molto volatili (come As, Se, Cd), che hanno vita
molto breve e danno emissioni di bassa intensità.
Gas
inerte
L’emissione della radiazione eccitante è prodotta da un catodo cilindrico cavo,
costituito dall’elemento da analizzare* o da una sua lega. Il bulbo della
lampada, in vetro con una finestra di quarzo, è riempito di argon o di neon.
* Queste lampade possone essere a singolo elemento o multielemento.
LAMPADE A CATODO CAVO
Quando viene applicata una opportuna differenza di potenziale agli elettrodi, il gas di
riempimento si ionizza parzialmente; gli ioni positivi, accelerati dal campo elettrico,
urtano il catodo e provocano l’espulsione degli atomi superficiali. Si formano, così, atomi
vaporizzati che, eccitati dagli urti con il gas di riempimento, emettono energia radiante.
Espulsione
Eccitazione
Emissione
M*
M*
Ar+
M0
hν
Ar+
M0
M0
Catodo
Emissione di energia radiante in una lampada a catodo cavo.
Un atomo di argon ionizzato estrae un atomo superficiale M0 dal catodo; l’atomo viene poi
eccitato nell’urto con il gas di riempimento; l’atomo eccitato (M*) decade nello stato
fondamentale emettendo un quanto di luce (hn).
Dr.ssa M. Agamennone
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25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
SISTEMI DI ATOMIZZAZIONE
a) Atomizzatore a fiamma
Sfrutta una fiamma, alimentata a gas, in cui viene nebulizzata una soluzione del
campione. Il dispositivo è costituito da un bruciatore a flusso laminare con
premiscelatore.
Il campione (in soluzione) viene aspirato nel nebulizzatore, trasformato in aerosol e
immesso nella camera di premiscelazione, dove si mescola con il gas combustibile e
con il comburente.
Metodologie
Speciali
in
Analisi
Farmaceutic
a
Dr.ssa M. Agamennone
La combustione e l'atomizzazione avvengono sulla testata del bruciatore.
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25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
IL CAMPIONE ASPIRATO
VIENE VAPORIZZATO NELLA
FIAMMA
IL CAMPIONE VIENE
ASPIRATO ATTRAVERSO UN
CAPILLARE
Tipi
Tipi di
di fiamme
fiamme consigliate
consigliate per
per analisi
analisi di
di assorbimento
assorbimento atomico
atomico
Propano-aria
Acetilene-ossido di azoto
Aria-idrogeno
H
Dr.ssa M. Agamennone
He
Acetilene-aria
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Cs
Ba
La.
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Fr
Ra
Ac
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm Yb
Lu
Th
Pa
U
Np
Pu
Am Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md No
Lr
9
25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
b) Fornetto di grafite
Si tratta di un sistema interamente automatizzato, che consente di abbassare
notevolmente (fino a 1000 volte) i limiti di rivelabilità tipici della spettrofotometria
di fiamma; inoltre consente di lavorare su aliquote molto piccole di campione, sia in
soluzione sia allo stato solido.
b) Fornetto di grafite
In genere il programma di riscaldamento prevede tre stadi successivi, di diversa
durata, condotti a temperature crescenti:
1. rimozione del solvente o essiccamento del campione (se si tratta di un solido);
2. incenerimento (pirolisi) del campione;
3. atomizzazione.
Metodologie
Speciali
in
Analisi
Farmaceutica
Dr.ssa M. Agamennone
10
25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
M+ + A- (soluzione)
∆E
Nebulizzazione
M+ + A- (aerosol)
∆E
Desolvatazione
MA (solido)
∆E
Distruzione
della matrice
Fenomeni che si verificano
durante l’atomizzazione in una
fiamma o in un fornetto di
grafite
di
una
soluzione
contenente l’analita in forma
ionica (M+) e un controione (A-).
Nel tubo di grafite non avviene la fase
di nebulizzazione.
MA
∆E
Fusione
MA (liquido)
∆E
Vaporizzazione
MA (vapore)
∆E Atomizzazione
. .
M A (gas)
∆E
Eccitazione
.
M * (gas)
∆E
M+
Ionizzazione
+ e-
Spettrofotometro per assorbimento atomico
Sorgente
Comparto celle
Monocromatore
Rivelatore
Raggio
campione
pulsato
Sistema di
atomizzazione
Elemento
disperdente
Sistema elaborazione
segnali e presentazione
dati
Microprocessore
Display
interfaccia
Video
Filtro
Tastiera
Stampante
Chopper
Dr.ssa M. Agamennone
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25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
MONOCROMATORI
Film o
rivelatore
Sorgente di
luce bianca
Prisma
Campione di
assorbimento
Spettro di assorbimento
Prisma ottico
Reticolo di diffrazione
RIVELATORI
I rivelatori trasformano l'energia radiante in un segnale
elettrico.
fotocatodo
hν
-
Finestra di quarzo
a) Fototubi
e-
+
La radiazione elettromagnetica è sufficiente per
produrre l’effetto fotoelettrico: emissione di
elettroni dalla superficie di alcuni materiali
(catodi).
Fototubi. Il catodo è rivestito da materiale
fotosensibile, che emette elettroni quando
viene colpito da radiazioni elettromagnetiche.
La pila mantiene una opportuna d.d.p. tra gli
elettrodi.
Quando
una
radiazione
elettromagnetica colpisce il catodo, gli elettroni
emessi vengono catturati dall’anodo e nel
circuito fluisce una corrente elettrica la cui
intensità
è
direttamente
proporzionale
all’intensità della radiazione che l’ha prodotta.
Metodologie
Speciali
in
Analisi
Farmaceutic
a
Dr.ssa M. Agamennone
anodo
vetro
Reostato
-
MV
+
MA
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25. Assorbimento atomico
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
b) Fotomoltiplicatori
Sono una variante dei fototubi ma
sono molto più sensibili.
Gli elettroni emessi dal fotocatodo
vengono accelerati da un campo
elettrico e quindi acquistano energia.
Se colpiscono un’altra superficie
elttronicamente attiva (dinodo)
liberano un numero più grande di
elettroni. Questi, a loro volta,
colpiscono i dinodi successivi e il
segnale si amplifica.
La produzione a cascata di elettroni
che si verifica prende il nome di
effetto fotoelettrico secondario.
SISTEMA DI LETTURA DEI SEGNALI
Il sistema di lettura converte il segnale che proviene dal rivelatore in una forma che
può essere usata dall’analista.
La corrente in uscita dal fotomoltiplicatore, in realtà, è costituita da tre diverse
componenti:
1. La corrente residua del fotomoltiplicatore, cioè la corrente che fluisce nel rivelatore
quando non è irraggiato;
2. La corrente dovuta alla emissione (di ampio spettro) del sistema di atomizzazione,
che «accompagna» sempre la riga analitica;
3. La corrente dovuta alla emissione della sorgente (che è l'unica componente di
interesse analitico ed è riconoscibile perché è pulsata).
Metodologie
Speciali
in
Analisi
Farmaceutic
a
Dr.ssa M. Agamennone
Corrente
prodotta
dalla emissione della
sorgente
Corrente prodotta dalla emissione
del sistema di atomizzazione
Corrente residua del
fotomoltiplicatore
Tempo
Intensità di corrente
b
Intensità di corrente
a
Tempo
Composizione del segnale in uscita dal fotomoltiplicatore nel caso di una
lampada con emissione spettrale (a) in assenza e (b) in presenza di analita.
13
25. Assorbimento atomico
i1
Intensità del segnale
Lettura del segnale in uscita dal
fotomoltiplicatore. Quando nella
fiamma è presente l’analita, il segnale
passa dal livello i1 che corrisponde al
bianco, al livello i2. All’istante t1 il
microprocessore comincia a integrare
ripetutamente il segnale durante brevi
intervalli di tempo (∆t, costante di
tempo) e in questo modo misura l’area
A calcolando poi l’altezza media del
segnale (A/∆t). Alla fine del tempo di
lettura, T (=t2-t1), il microprocessore
comunica al sistema di elaborazione
dei segnali il valore medio (i2) di tutte
le n misure effettuate.
Analisi dei Medicinali AA 2005-06
i2
A
∆t
0
t1
T
t2
Tempo
Metodologie
Speciali
in
Analisi
Farmaceutica
Dr.ssa M. Agamennone
14
