Atoomabsorptie- en atoomemissiespectrofotometrie (AAS/AES)

Atoomabsorptiespectrofotometrie (AAS) en atoomemissiespectrofotometrie (AES) zijn zeer specifieke spectrofotometrische methoden om de aanwezigheid en de hoeveelheid van een bepaald stof (vooral metalen) in een staal te onderzoeken. Bij AAS wordt een lamp gebruikt die net die golflengte(n) uitstraalt die door de te onderzoeken stof worden geabsorbeerd. Bij AES wordt de specifieke emissie van de stof gemeten. Met beide methoden kunnen zeer lage concentraties (ppm) worden bepaald.

• Atoomabsorptiespectrofotometrie (AAS)
• De hollekathodelamp
• Voorbeelden van emissielijnen
• Atomisatie van een staal
• Atoomemissiespectrofotometrie (AES)
• Concentratiebepalingen
• Bij AAS
• Bij AES

Atoomabsorptiespectrofotometrie (AAS)

De te meten stof wordt eerst geatomiseerd. Dit wil zeggen dat de samenstellende atomen van het staal eerst uit hun moleculaire omgeving worden vrijgemaakt. Deze vrije atomen absorberen fotonen met een welbepaalde golflengte uit een stralingsbundel. Op basis van de mate van absorptie kan de concentratie van een element in het staal worden bepaald. AAS wordt toegepast voor sporenanalyse, dat is concentratiebepaling op niveau van ppm´s (parts per million). De methode is geschikt voor een groot aantal metalen en niet-metalen.

De hollekathodelamp

Als stralingsbron wordt bij AAS een hollekathodelamp gebruikt. Een hollekathodelamp is een gasontladingslamp waarbij de positieve anode van de lamp is vervaardigd uit Wolfraam en de negatieve kathode het element M bevat dat ook het te bepalen element in het staal is. Beide elektroden bevinden zich in een glazen buis gevuld met een inert edelgas zoals neon of argon.

Door de hollekathodelamp onder spanning te zetten, zullen de edelgasatomen geïoniseerd worden.

• Ne → Ne⁺ + e^-
• Ar → Ar⁺ + e^-

De positief geladen edelgasionen zullen worden aangetrokken door de negatieve kathode waaruit ze M-atomen kunnen losslaan.
Hierbij zullen de vrijgekomen M-atomen worden aangeslagen door de heersende spanning tussen de kathode en de anode: M → M*
Vervolgens zullen de aangeslagen M* weer tot emissie komen: M* → M

Dit betekent dat ze fotonen met een specifieke golflengten, emissielijnen, zullen uitstralen. Dit vormt de stralingsbundel die de hollekathodelamp zal uitzenden, het licht van de lamp dus. Wanneer deze lamp op een staal straalt, dan zullen deze uitgezonden golflengten geabsorbeerd worden door het element M in het staal. Andere elementen in het staal zullen deze straling niet absorberen.

Dit maakt AAS dus tot een zeer selectieve analysemethode. Een bepaald element kan immers bepaald worden in aanwezigheid van andere elementen wat een scheiding vooraf overbodig maakt. Voor de bepaling van elk element is er dus een specifieke lamp nodig. Voor de bepaling van bijvoorbeeld magnesium in een staal moet de kathode van de hollekathodelamp magnesiumatomen bevatten en voor de bepaling van bijvoorbeeld koper moet de kathode koperatomen bevatten. Er bestaan ook hollekathodelampen welke verschillende metalen bevatten waarvan de golflengtebanden niet overlappen. Met deze combilampen kunnen dus meerdere metalen in een staal tegelijkertijd worden bepaald.

Voorbeelden van emissielijnen

Atomisatie van een staal

Vlam-AAS
Bij deze methode wordt het staal geatomiseerd in een vlam van ongeveer 2500 K of 2227 °C. Deze temperatuur kan worden bereikt door als brandstof een mengsel van acetyleen en lucht te gebruiken. Een hogere vlamtemperatuur kan worden bereikt door de lucht te vervangen door distikstofoxide-gas (N₂O). Door de hoge vlamtemperatuur treedt voor een aantal elementen echter ook ionisatie op waardoor de gevoeligheid van de bepaling vermindert daar ionen een andere golflengte licht absorberen dan hun overeenkomstige atomen. Vlam-AAS is alleen bruikbaar voor oplossingen daar het staal hier in de vlam dient te worden verstoven.

Grafietoven-AAS
Bij deze methode wordt het staal elektrisch verhit tot een temperatuur van maximum 3300 K of 3027 °C. De temperatuur kan hier geregeld worden waardoor ionisatie kan worden vermeden. Met de grafietoven kunnen hogere temperaturen worden bereikt dan met een vlam. Dit heeft als gevolg dat met de grafietoven meer elementen kunnen worden bepaald. Verder kunnen met deze methode ook vaste stoffen worden bepaald daar verstuiving hier niet nodig is.

Atoomemissiespectrofotometrie (AES)

Bij AES wordt het staal net als bij AAS geatomiseerd. Bij deze techniek wordt echter niet de absorptie maar wel de emissie van de atomen gemeten. Er wordt bij deze methode dus geen lamp gebruikt. Tijdens de atomisatie kunnen de atomen door energieopname in aangeslagen toestand raken waarna ze de opgenomen energie weer afstaan onder uitzending van straling. Elk soort atoom zendt hierbij straling uit met karakteristieke golflengtes: het emissiespectrum van dat atoom. Bijvoorbeeld als een natriumverbinding wordt verstoven in een vlam, dan wordt vrijwel uitsluitend licht met golflengtes van 589 nm en 589,6 nm uitgezonden. De intensiteit van het geëmitteerde licht is een maat voor de natriumconcentratie in het staal. Deze techniek is minder gevoelig dan AAS.

Concentratiebepalingen

Bij AAS

Volgens de wet van Lambert-Beer is de graad van absorptie, meer bepaald de extinctie (E), door een staal recht evenredig aan de concentratie van het te meten element in dat staal.

• E=-log(I/I₀)
• I = de intensiteit van de lichtgolven die de detector bereiken na passeren door het staal
• I₀ = de intensiteit van de lichtbron

Door een aantal stalen met gekende concentratie (ijkoplossingen) te meten, kan een ijklijn worden opgesteld. Op basis van deze ijklijn kan de concentratie van het te meten element worden bepaald.

Bij AES

Bij deze methode wordt niet de absorptie maar de emissie van het staal gemeten. Ook hier kan de concentratiebepaling aan de hand van ijking gebeuren. Op basis van de emissie door stalen met een gekende concentratie aan het te bepalen element, kan de concentratie van het element wiskundig worden afgeleid. De emissie van het element in het gekende staal kan immers rechtstreeks worden vergeleken met de emissie van het element in het onbekende staal.