I. INTRODUCCIONUno de los pioneros en la espectroscopia fue Isaac Newton, quien a principios de 1600 observ y estudi el comportamiento de la luz solar cuando esta atraviesa por un prisma. En 1831, J.F. Herschel demostr, que las sales de diferentes metales producen distintas coloraciones a la flama cuando las sales disueltas o en forma directa son puestas en contacto con sta. As por ejemplo la sales de calcio dan a la flama un color naranja, las de sodio un color amarillo, las de potasio un color violeta, las de cobre un verde azulado, las de estroncio un color verde amarillo, etc. Estas observaciones fueron corroboradas posteriormente por otros investigadores sugiriendo que de esta forma podra identificarse el metal formador de la sal en un compuesto qumico especfico. Kirschoff y Bunsen en 1859 ampliaron el conocimiento de la naturaleza de este fenmeno, cuando la luz colorida producida por el metal en la flama la hicieron incidir en un depsito ptico que separa la radiacin emitida por el metal, de la luz solar. En ste instrumento que fue llamado espectroscopio (espectroscopio= observacin del espectro) se observa que cada metal que emite radiacin de diferente color, presenta lneas que aparecen en diferentes posiciones en la pantalla o campo de observacin, y esto es independientemente de las condiciones en que se realiza el experimento as como de la naturaleza de la sal metlica y nicamente depende del metal. Para realizar la determinacin de metales (Ca, Mg, Na, K, Zn, Cu, Ni, Fe, Cr, Co, Ag, Mn, Pb, etc) por Absorcin Atmica de Llama, es necesario tener los analitos en solucin, y libres de posibles interferentes, tales como materia orgnica, o particulado. Para lograr estas condiciones, y con el objeto de reducir la interferencia por materia orgnica y liberar los metales de la matriz mantenindolos en solucin, es necesario el tratamiento previo de las muestras, y se debe realizar el procedimiento de preparacin, digestin y preservacin. Estos tratamientos se realizan segn el tipo de matriz. Generalmente las muestras provienen de diversos orgenes siendo las mas frecuentes las muestras de aguas, efluentes, alimentos suelos, etc; como todas las matrices varan, son diferentes en su composicin intrnseca y en su respuesta al tratamiento previo de adecuacin a la medicin por llama. El presente trabajo es parte del instructivo que utilizamos en nuestro laboratorio para la preparacin de las muestras en el rea de servicios de anlisis de metales. Tiene como objeto definir las acciones y los responsables a los efectos de preparar y preservar las muestras para el anlisis de los metales por Absorcin Atmica, siendo el Coordinador del rea y los analistas quienes velan por la correcta aplicacin de los mtodos y los lineamientos tcnicos que describe el mismo. Este instructivo, para aquellas muestras que lo requieran, tambin establece los diferentes mtodos de digestin, su documentacin y los registros relacionados.

II. MARCO TEORICO

2.1. Espectrometra de absorcin atmicaPara obtener espectros pticos atmicos y espectros de masa atmicos, los constituyentes de una muestra se deben convertir en tomos o iones gaseosos que puedan ser determinados por mediciones espectrales de emisin, absorcin, fluorescencia o masa. La precisin y la exactitud de los mtodos atmicos dependen en gran medida del proceso de atomizacin y del mtodo para introducir la muestra en la regin de atomizacin.La introduccin de la muestra ha sido llamada el taln de Aquiles de la espectroscopia atmica porque en muchos casos este paso limita la exactitud, precisin y los lmites de deteccin de las mediciones espectromtricas atmicas. El objetivo principal del sistema de introduccin de la muestra en la espectroscopia atmica es transferir una porcin representativa y reproducible de una muestra al atomizador.CUADRO 1. Tipos de atomizadores usados para espectroscopa

En el caso de las primeras cinco fuentes de atomizacin que se enlistan en la tabla, las muestras son introducidas por lo general en forma de soluciones acuosas (en ocasiones se usan soluciones no acuosas) o, con menos frecuencia, como lechadas (una lechada es una suspensin de un polvo finamente dividido en un lquido). Sin embargo, para muestras que son difciles de disolver, se han usado varios mtodos para introducirlas en el atomizador en forma de slidos o polvos finamente dispersos. Por lo general, estas ltimas tcnicas de introduccin de muestras son menos reproducibles y estn ms sujetas a varios errores, como resultado, no se usan tanto como las tcnicas de solucin acuosa.Los dispositivos de atomizacin se clasifican en dos clases: atomizadores continuos y atomizadores discretos. Con los primeros como plasmas y llamas, las muestras se introducen de manera constante. Con los atomizadores discretos, las muestras se introducen de manera discontinua con un dispositivo como una jeringa o un tomador de muestras automtico. El atomizador discreto ms comn es el electrotrmico.El mtodo de introduccin de muestra ms comn es la nebulizacin directa, en este caso la muestra se introduce como una fina dispersin de pequeas gotas, llamada aerosol. La introduccin continua de muestra en una flama o plasma produce una poblacin de tomos, molculas y iones en estado estable.En los atomizadores discretos la muestra se introduce transfiriendo una alcuota de la muestra al atomizador. La nube de vapor que producen los atomizadores electrotrmicos es transitoria debido a la cantidad limitada de muestra disponible. Las muestras slidas pueden ser introducidas en plasmas vaporizndolas con una chispa elctrica o con un haz lser. En la siguiente tabla se enlistan los mtodos comunes de introduccin de muestra para espectroscopia atmica y el tipo de muestras al cual es aplicable cada mtodo.TABLA 1. Mtodos de introduccin de muestra en espectroscopa atmico

2.2. Espectroscopia de tomos La espectroscopa atmica se puede dividir en tres clases:1. Espectroscopa de Emisin Atmica (EEA)2. Espectroscopa de Absorcin Atmica (EAA)3. Espectroscopa de Fluorescencia Atmica (EFA)2.2.1. Espectroscopa de emisin en flama.- La espectroscopia de emisin en tomos se basa en medir la intensidad de una lnea de emisin especfica del elemento que se desea determinar. Cuanto mayor sea la intensidad de sta lnea mayor es su concentracin.

En los instrumentos de EEA, la flama atomiza y excita los componentes de la muestras. Estos emiten radiacin electromagntica de diferentes longitudes de onda que son separadas en el monocromador y la lnea de inters llega al detector, al amplificador y finalmente al sistema de lectura.Las relativamente bajas temperaturas de la flama, limitan la aplicacin prctica de la EEA en flama a los elementos ms fciles de excitar, o en bajos potenciales de ionizacin, como son los elementos alcalinos ( Li,Na,K,Rb,Cs ) y los alcalinotrreos ( Ca,Mg,Sr, etc. ).2.2.2. Espectroscopia de absorcin atmica en flama: La espectroscopia de absorcin atmica (EAA), tiene como fundamento la absorcin de radiacin de una longitud de onda determinada. Esta radiacin es absorbida selectivamente por tomos que tengan niveles energticos cuya diferencia en energa corresponda en valor a la energa de los fotones incidentes. La cantidad de fotones absorbidos, est determinada por la ley de Beer, que relaciona sta prdida de poder radiante, con la concentracin de la especie absorbente y con el espesor de la celda o recipiente que contiene los tomos absorbentes.Los componentes instrumentales de un equipo de espectrofotometra de absorcin atmica son los similares a los de un fotmetro o espectrofotmetro de flama, excepto que en EAA se requiere de una fuente de radiacin necesaria para excitar los tomos del analito.

2.2.2.1. Componentes de un espectrofotmetro de absorcin atmica1) Una fuente de radiacin que emita una lnea especfica correspondiente a la necesaria para efectuar una transicin en los tomos del elemento analizado.2) Un nebulizador, que por aspiracin de la muestra lquida, forme pequeas gotas para una atomizacin ms eficiente.3) Un Quemador, en el cual por efecto de la temperatura alcanzada en la combustin y por la reaccin de combustin misma, se favorezca la formacin de tomos a partir de los componentes en solucin.4) Un sistema ptico que separe la radiacin de longitud de onda de inters, de todas las dems radiaciones que entran ha dicho sistema. 5) Un detector o transductor, que sea capaz de transformar, en relacin proporcional, las seales de intensidad de radiacin electromagnetica, en seales elctricas o de intensidad de corriente.6) Un amplificador o sistema electrnico, que como su nombre lo indica amplifica la seal elctrica producida, para que en el siguiente paso pueda ser procesada con circuitos y sistemas electrnicos comunes.7) Por ltimo, se requiere de un sistema de lectura en el cual la seal de intensidad de corriente, sea convertida a una seal que el operario pueda interpretar (ejemplo: transmitancia o absorbancia). Este sistema de lectura, puede ser una escala de aguja, una escala de dgitos, un graficador, una serie de datos que pueden ser procesados a su vez por una computadora, etc.La EAA en flama es a la fecha la tcnica ms ampliamente utilizada (aunque cada vez ms competida por la EEP) para determinar elementos metlicos y metaloides. Esta tcnica tienen grandes convenientes y es de costo relativamente bajo, pudindose aplicar tal tcnica a una gran variedad de muestras.Acoplado un instrumento de Absorcin Atmica a un horno de Grafito y a un generador de hidruros se alcanzan lmites de deteccin hasta de ppb, lo cual lo hace indispensable en reas como son: estudios de contaminacin ambiental, anlisis de alimentos, anlisis de aguas potables y residuales, diagnstico clnico, etc.2.2.2.2. Descripcin de la tcnica de eaa.- La tcnica de absorcin atmica en flama en una forma concisa consta de lo siguiente: la muestra en forma lquida es aspirada a travs de un tubo capilar y conducida a un nebulizador donde sta se desintegra y forma un roco o pequeas gotas de lquido.Las gotas formadas son conducidas a una flama, donde se produce una serie de eventos que originan la formacin de tomos. Estos tomos absorben cualitativamente la radiacin emitida por la lmpara y la cantidad de radiacin absorbida est en funcin de su concentracin.La seal de la lmpara una vez que pasa por la flama llega a un monocromador, que tiene como finalidad el discriminar todas las seales que acompaan la lnea de inters.Esta seal de radiacin electromagntica llega a un detector o transductor y pasa a un amplificador y por ltimo a un sistema de lectura.2.2.2.3. Fuentes de radiacinUna vez que han sido formados los tomos, la flama tiene la misma funcin que una celda en espectroscopia visible o Ultravioleta. Los tomos de la flama absorben radiacin de acuerdo a la Ley de Beer si esta corresponde a la diferencia en energa entre los niveles energticos de algunos de los tomos presentes, del contrario, la radiacin pasa por la flama sin disminuir la potencia de haz como efecto de los tomos contenidos en ella.El desarrollo de un equipo comercial de absorcin atmica fue hasta principio de los cincuentas, ya que aunque su potencial se vislumbra desde fines del siglo pasado, no se saba an como tener una fuente de radiacin para este tipo de espectroscopia.2.2.2.4. Niveles cuanticos en atomos.- Como ya ha sido mencionado con anterioridad, los tomos de los diferentes elementos tienen lneas bien definidas que corresponden a transiciones entre diferentes niveles atmicos.Estas transiciones tienen anchos espectrales de dcimas o hasta centsimas de nanmetro. Cada elemento va a responder a la excitacin de una radiacin de longitud de onda muy especfica ya que solo este elemento absorbe o emite tal tipo de radiacin, porque esta corresponde a la diferencia en energa entre dos niveles particulares de ese tomo.La idea de Alan Walsh, el creador de la Espectroscopia de Absorcin Atmica fue la siguiente: los tomos absorben y emiten radiacin de exactamente la misma frecuencia o longitud de onda, ya que absorben radiacin al pasar del estado basal a un estado excitado y tericamente emiten la misma frecuencia de radiacin en el proceso inverso; por lo tanto si se tiene una fuente de excitacin en donde el elemento excitado es el mismo que se va a analizar, la radiacin emitida va a ser captada nicamente por el elemento que es idntico al de la fuente luminosa. Por ejemplo: si se desea cuantificar Zn en una flama, se hace irradiar sta con radiacin emitida por tomos de Zn; sta va a ser absorbida nicamente por los tomos de Zn que se encuentran en la flama y no por lo tomos de cobre, cadmio, o nquel o algn otro elemento presente, ya que la radiacin que pasa por la flama corresponde nicamente a los niveles energticos del Zn.2.2.2.5. Lmpara de ctodo hueco.- Este tipo de fuente de radiacin es de las ampliamente difundidas en la EAA. Las lmparas de ctodo hueco (LCH o HCL [Hollow Cathode Lamp] consisten de un cilindro de vidrio sellado al vaco y con un gas inerte en su interior. Dentro de este mismo cilindro se encuentran dos filamentos; uno de ellos es el ctodo y el otro el nodo. El nodo generalmente es un alambre grueso hecho de nquel o tungsteno, el ctodo es en forma de un cilindro hueco, en el interior del cual se, encuentra depositado en forma de una capa el elemento metlico que se va a excitar.Tambin regularmente y cuando esto es posible el ctodo est enteramente hecho del metal a analizar.

El ctodo es la terminal negativa y el nodo es la positiva, cuando se aplica una diferencia de potencial entre las dos terminales ocurre una serie de eventos que se muestra en la Figura 3 y que son descritos a continuacin:

1. Por efecto del voltaje aplicado entre los dos electrodos ocurre una descarga elctrica. Si el ctodo consiste de dos electrodos paralelos o de un cilindro hueco, bajo circunstancias adecuadas la mayor parte de la descarga ocurre dentro del ctodo.2. Estas descargas elctricas aumentan la energa cintica y favorecen la ionizacin de las molculas de gas inerte. Estas especies ionizadas requieren carga positiva, por lo cual son atradas hacia el ctodo.3. Al chocar los iones de gas inerte (Ar+ en este caso) con las paredes del ctodo, son desprendidos tomos del metal de que est el ctodo o depositado sobre la superficie del mismo.4. Despus de desprenderse del ctodo, los tomos producidos son excitados por choques moleculares con los iones y tomos de argn.5. Los tomos excitados no pueden permanecer indefinidamente en un estado de energa superior y procede el paso de emisin electromagntica.A travs de esta serie de procesos se obtiene un haz de radiacin bien concentrado, ya que casi la totalidad de los eventos ocurren dentro del ctodo de la lmpara. Tambin el resultado final es la obtencin de un espectro caracterstico del elemento del que est hecho el ctodo de la lmpara.2.2.2.6. Lmparas individuales y de multielementos.- En el caso de las lmparas de ctodo hueco, es posible tener lmpara individual de multielementos. Cuando existe la seguridad de que no hay interferencias espectrales inter elementos y cuando las propiedades metalrgicas son adecuadas para hacer la aleacin necesaria se pueden construir ctodos con ms de un elemento metlico. De esta forma una lmpara puede servir para determinar uno, dos, tres o hasta seis elementos. El costo de una lmpara de multi elementos, es menor a la suma del costo de cada una de las diferentes lmparas individuales, desafortunadamente este tipo de lmparas tienen grandes inconvenientes, entre ellos principalmente el que el haz de radiacin producido no tiene la intensidad ni la pureza espectral que proporciona una lmpara individual.Otra gran desventaja que tienen, es que an y cuando se emplee la lmpara para determinar un solo elemento, los elementos concomitantes tambin se estn gastando sin obtener provecho de ellos. Para elegir entre una lmpara de ctodo hueco individual y una de multielementos deben considerarse factores como: frecuencia de uso, grado de exactitud requerida en los resultados, presupuesto de laboratorio, etc.2.2.2.7. LMPARA DE DESCARGA SIN ELECTRODOS.- Las fuentes de radiacin de este tipo tienen la misma finalidad que las lmparas de ctodo hueco, solo que la forma de excitacin de los tomos emisores de radiacin es diferente.La lmpara de descarga sin electrodos se construyen colocando una pequea cantidad de sal del elemento metlico (generalmente un yoduro), o el elemento metlico mismo si as es ms conveniente, en un recipiente de cuarzo, el cual previamente se ha sometido al vaco antes de sellarse. Posteriormente, esta ampolleta de cuarzo se coloca dentro de un cilindro de cermica el cual est acoplado a un generador de radiofrecuencia.Cuando la lmpara se enciende se forma un campo de microondas el cual causa la volatilizacin y la excitacin de algunos tomos del elemento depositado en la cpsula de cuarzo de la lmpara y as se forma el haz de radiacin del elemento especfico a determinar. La Figura 4 es esquemtica de una lmpara de este tipo.

.2.3. Atomizacin de muestrasLos dos mtodos ms comunes de atomizacin de muestra que se utilizan en espectrometra de absorcin atmica y espectrometra de fluorescencia atmica son la atomizacin de llama y la atomizacin electrotrmica.Atomizacin de llama. En un atomizador de llama, una solucin de la muestra se nebuliza mediante un flujo de oxidante gaseoso mezclado con un combustible tambin gaseoso y se lleva hacia una llama donde ocurre la atomizacin. En la llama ocurre un conjunto complejo de procesos interconectados. El primero es la desviacin, en la que el disolvente se evapora para producir un aerosol molecular finamente dividido. Luego, ste se volatiliza para formar molculas de gas. La disociacin de la mayor parte de dichas molculas produce un gas atmico. Algunos de los tomos del gas se ionizan para formar cationes y electrones. Una fraccin de las molculas, tomos e iones se excitan tambin por el calor de la llama para producir espectros de emisin atmicos, inicos y moleculares. Con tantos procesos complejos que ocurren, no es sorprendente que la atomizacin sea el paso ms decisivo en la espectroscopia de llama y el nico que limita la precisin de tales mtodos.Tipos de llamas. En la siguiente tabla se enlistan los combustibles y oxidantes comunes en la espectroscopia de llama y el intervalo aproximado de temperaturas que se logran con estas mezclas.TABLA 2. Propiedades de las llamas.

Se observa que cuando el aire es el oxidante, se logran temperaturas de 1700C a 2400C con varios combustibles. A estas temperaturas slo se atomizan las muestras que se descomponen con facilidad, as que se debe usar oxgeno u xido nitroso como oxidante para muestras ms refractarias. Las velocidades de combustin que se enlistan en la cuarta columna son importantes porque las llamas son estables slo en ciertos intervalos de flujos de gas. Si el flujo de gas no excede la velocidad de combustin, la llama se propaga de regreso hacia el quemador y produce un retroceso de la llama. Cuando se incrementa el flujo, la llama sube hasta que alcanza un ponto arriba del quemador donde la velocidad del flujo y la velocidad de combustin son iguales; es en esta regin donde la llama es estable. A velocidades ms altas, la llama sube y alcanza con el tiempo un punto en el que se desprende del quemador y lo apaga. Con estos hechos en mente, es fcil ver por qu es tan importante controlar el flujo de la mezcla combustible-oxidante, el cual depende mucho de los tipos de combustible y oxidante que se utilicen.Estructura de la llama. Las regiones importantes de la llama incluyen la zona de combustin primaria, la regin inter zona y la zona de combustin secundaria, las cuales dependen de la velocidad de flujo del gas. La zona de combustin primaria en una llama de hidrocarburo es reconocible por la luminiscencia azul que surge de la emisin de banda de C2, CH y otros radicales. El equilibrio trmico no se alcanza por lo general en esta regin y por lo tanto, rara vez se usa en la espectroscopia de llama. El rea inter zona, que es relativamente estrecha en las llamas de hidrocarburo estequiomtricas, puede alcanzar varios centmetros de altura en fuentes de acetileno-oxgeno o de acetileno-xido nitroso ricas en combustible. Debido a que en la regin inter zona predominan tomos libres, es la parte de la llama que ms se usa para la espectroscopia. En la zona de reaccin secundaria los productos de ncleo interno se convierten en xidos moleculares estables que son dispersados despus hacia los alrededores. Un perfil de llama proporciona informacin til acerca de los procesos que suceden en diferentes partes de una llama; es una grfica de contorno que revela regiones que tienen valores similares para una variable de inters. Algunas de las variables son: temperatura, composicin qumica, absorbencia e intensidad radiante o fluorescencia. Debido a la formacin de xidos diferentes metales pueden ser cuantificados con mayor o menor sensibilidad en funcin de la zona que se muestra dentro de la llama del atomizador. El Cr forma xidos muy estables por lo tanto es preferible muestrear en la parte ms pequea de la llama. La plata no se oxida fcilmente por lo tanto su absorbencia aumenta al subir en la altura de llama y nunca decae. Los instrumentos ms complejos para la espectroscopa de llama estn equipados con monocromadores que toman muestras de la radiacin desde una regin relativamente pequea de la llama y, por lo tanto, para mejorar la seal de salida se ajusta la llama respecto a la rendija de entrada.

2.4. Quemador de flujo laminar.

Los atomizadores de llama se usan para las espectroscopias atmicas de absorcin, de fluorescencia y de emisin. El aerosol, formado por el flujo de oxidante a travs de la muestra, se mezcla con combustible y pasa por una serie de deflectores que eliminan todo excepto las gotas de solucin ms finas. Los deflectores ocasionan que la mayor parte de la muestra se rena en el fondo de la cmara de mezcla donde se drena hacia un recipiente de desechos. El aerosol, el oxidante y el combustible arden entonces en un quemador ranurado que proporciona una llama de 5 a 10 cm de alto.

Los quemadores de flujo laminar producen una llama relativamente esttica y una longitud de trayecto larga para llevar al mximo la absorcin. Estas propiedades tienden a incrementar la sensibilidad y reproductibilidad en la espectrometra de absorcin atmica.Reguladores de combustible y oxidante. Una variable importante que requiere un control riguroso en la espectroscopia de llama es el flujo de oxidante y combustible. Es deseable variar cada uno en un amplio intervalo de modo que se puedan determinar de manera experimental las condiciones de atomizacin ptimas. El combustible y el oxidante se suelen combinar en cantidades estequiomtricas. Sin embargo, para la identificacin de metales que forman xidos estables es deseable una llama que contenga un exceso de combustible. De ordinario, los flujos son controlados por medio de reguladores de presin de doble diafragma seguidos de vlvulas de aguja en la carcasa del instrumento. Hasta la fecha, la atomizacin de llama es el ms reproducible de todos los mtodos de introduccin de muestra lquida que han sido perfeccionados para la espectrometria de absorcin y fluorescencia. Sin embargo, la eficiencia de toma de muestras de otros mtodos de atomizacin y, por lo tanto, su sensibilidad son notablemente mejores. Hay dos razones principales de la menor eficiencia de muestreo de llama. Primero, una gran porcin de la muestra fluye hacia el drenaje. Segundo, el tiempo de residencia de cada uno de los tomos en la trayectoria ptica es breve (~10-4s).

III. REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS

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