1. UVOD
Spektroskopske metode su obino brze i neinvazivne, zahtjevaju
malu koliinu uzorka, a mogu se koristiti za strukturnu
karakterizaciju biomolekula i u analitike svrhe (za odreivanje
koncentracije). Spektroskopija se definie kao ispitivanje
interakcije elektromagnetnog zraenja sa materijom, iskljuujui
hemijske efekte (interakcije koje su povezane sa hemijskim efektima
izuavaju se u fotohemiji). Elektromagnetno zraenje se karakterie
talasnom duinom () odnosno frekvencijom ( = c/, gde je c = brzina
svjetlosti), intenzitetom i polarizacijom. Elektromagnetni spektar
obuhvata irok opseg talasnih duina. Pri interakciji svjetlosti sa
materijom moe da doe do promjene jedne ili vie od ovih veliina. U
zavisnosti od talasne duine (ili energije) apsorbovano
elektromagnetno zraenje izaziva razliite efekte u molekulu to se
detektuje razliitim metodama. Optike metode hemijske analize se
zasnivaju na meusobnoj interakciji elektromagnetnog zraenja i
ispitivane supstance. Kod emisionih metoda ispituje se
elektromegnetno zraenje koje emituje ispitivana supstanca koja se
na pogodan nain pobudi (ekscituje). Kod apsorpcionih metoda
ispituje se zraenje koje je prolo kroz analiziranu supstancu. Kad
se posmatra interakcija zraenja sa atomima i molekulima ispitivane
supstance (apsorpcija ili emisija) onda moramo primjeniti estino
(korpuskularno) razmatranje. Prema talasnoj slici elektromagnetno
zraenje se predstavlja kao rasprostiranje oscilujueg elektrinog i
magnetnog polja u prostoru. Pri tome vektor elektrinog polja
osciluje normalno na ravan magnetskog polja kao i na pravac
prostiranja zraenja.
1
2. TEORETSKI DIO
2.1. Atomska apsorpcija Atomi u energetski osnovnom stanju (Me)
mogu da prime odreen iznos energije (h) i da pri tom preu u odreeno
energetski vie stanje, tzv. ekscitovano stanje (Me*). Me + h*Me*
Koliina energije koja moe da izazove prelaz atoma u ekscitovano
stanje zavisi od elektronske strukture atoma u osnovnom stanju,
odnosno od vrste elementa. Ako se kroz paru atoma u osnovnom stanju
nekog elementa proputaju elektromagnetni zraci, koji imaju upravo
onoliku energiju koja je potrebna za izazivanje ekscitacije atoma
(elektromagnetni zraci rezonantne talasne duine), doi e do
apsorpcije ovih zraka. U ekscitovanom stanju atomi ostaju oko 10-8
sekundi, nakon ega se ponovo vraaju u osnovno stanje, oslobaajui se
vika energije djelimino (preko sudara) kao toplotne energije, a
djelimino u vidu elektromagnetnog zraenja u okolni prostor. Veliina
apsorpcije, tj. smanjenje intenziteta proputene svjetslosti
rezonantne talasne duine, zavisie od broja atoma u osnovnom stanju-
atomskoj pari, to je i osnova za primjenu atomske apsorpcije u
analitike svrhe. 2.2. irina rezonantne i atomske apsorpcione linije
Izmeu zakonitosti apsorpcije svjetlosti molekula i atoma postoji
velika slinost ali se za mjerenje atomske apsorpcije ne mogu
primjeniti uobiajeni spektrofotometri bez prethodnih izmjena. Uzrok
ovome je razlika izmeu dva spektra. irina molekularne apsorpcione
linije je za nekoliko reda veliine vea od irine atomske apsorpcione
linije. Zato se kod mjerenja molekularne apsorpcije postiu
zadovoljavajui rezultati primjenom spektrofotometara sa
kontinualnim izvorom svjetlosti iji se svjetlosni zraci razlau
pomou monohromatora. Da bi se mogla mjeriti atomska apsorpcija,
spektrofotometri moraju imati izvor rezonantnog elektromagnetnog
zraenja, ija je irina linije reda veliine kao to je irina
apsorpcione linije atoma. Taj zahtjev ispunjava jedino rezonantna
linija iz emisionog spektra datog elementa. Rezonantne linije
atomskih emisionih spektara nisu geometrijske linije, ve imaju
oblik slian Gauss-ovoj krivi raspodjele sa odreenim maksimumom
intenziteta i polutalasnom irinom (irina linije mjerena na polovini
maksimalnog intenziteta). irina apsorpcionih linija atoma je obino
neto ira od emisionih linija. Da bi se mogla mjeriti atomska
apsorpcija, potrebno je imati monohromatski izvor svjetlosti
stalnog intenziteta rezonantne talasne duine za odreeni element,
ija je polutalasna irina manja od polutalasne irine atomske
apsorpcione linije. Ove zahtjeve izvora svetlosti zadovoljava cijev
sa upljom katodom. Pod ovakvim uslovima tanost mjerenja ne odreuje
monohromator, u atomskom apsorpcionom spektrofotometru, ve kvalitet
cijevi sa upljom katodom (ili drugi odgovarajui izvor svjetlosti) i
tanost mjerenja intenziteta proputene2
svejtlosti nakon atomske apsorpcije. Monohromatori obino
proputaju traku monohromatskog zraka ija je polutalasna irina oko
0,5 nm, dok je polutalasna irina atomske apsorpcione linije oko
0,01 nm. Time je uloga monohromatora svedena samo na izolovanje
rezonantne linije iz okoline, to je i ematski prikazano na Slici
1.
Slika 1. ematski prikaz atomskog apsorpcionog spektrofotometra i
principa mjerenja atomske apsorpcije
2.3. Aparati za mjerenje atomske apsorpcije Atomski apsorpcioni
spektrofotometri mogu da se podjele prema sastavnim dijelovima na
etiri osnovna dijela: 1. 2. 3. 4. Emisioni dio predstavlja pogodni
izvor svjetlosti rezonantne talasne duine, Apsorpcioni dio ili dio
za atomizaciju, Selekcioni dio ili monohromator, Mjerni dio sastoji
se od detektora, sistema za pojaavanje signala i mjernog
instrumenta.
Zavisno od toga kako se vri atomizacija, atomski apsorpcioni
spektrofotometri se mogu podijeliti na dvije velike grupe: a)
Aparati kod kojih se atomizacija vri pomou plamena, b) Aparati sa
bezplamenim atomizerima.
Ovi aparati su novije proizvodnje, ali su ve vrlo
rasprostranjeni zbog vee osetljivosti odreivanja i pojave znatno
manjeg broja smetnji u odnosu na klasine plamene atomske
apsorpcione spektrofotometre, ali su zato i znatno skuplji. Sam
proces atomizacije se najee3
vri pomou elektrinog luka u grafitnim kivetama, katodnim
isparavanjem ili pomou laserskih zraka. Zbog pristupanije cijene
najrasprostranjeniji su atomski apsorpcioni spektrofotometri za
atomizaciju u plamenu. 2.4. Emisioni dio Emisioni dio obuhvata
sistem za elektrino napajanje izvora svjetlosti i izvor svjetlosti
rezonantnog zraenja. Kako ne postoji monohromator koji moe
proizvesti linije sa irinom manjom od 10-3 nm, to se u AAS kao
izvor svetlosti najee koristi lampa (cijev) sa upljom katodom.
Cijev sa upljom katodom (Slika 2.) se sastoji od staklenog cilindra
u kojem je smjetena uplja katoda ija je unutranja povrina prevuena
elementom koji se ispituje.
Slika 2. Cijev sa upljom katodom
Anoda je od volframa. Nasuprot katode je smjeten kvarcni prozor,
za one elemente koji imaju rezonantnu talasnu duinu u bliskoj
ultraljubiastoj oblasti, ili stakleni prozor, za one elemente koji
imaju rezonantnu liniju u vidljivoj oblasti spektra. U staklenom
cilindru se nalazi neki inertni gas, najee argon, pod malim
pritiskom. Inertni gas slui kao energetski pufer, jer jonizacioni
potencijal gasa odreuje maksimalnu energiju ekscitacije. Na ovaj
nain se sprijeava pojava drugih rezonantnih linija, koje zahtjevaju
veu energiju ekscitacije. Uslijed saoptene razlike potencijala
izmeu anode i katode, dolazi do jonizacije inertnog gasa. Stvoreni
joni bombarduju unutranju povrinu uplje katode, te dolazi do
izbijanja atoma ispitivanog elementa. Uslijed meusobnih sudara
atoma i sudara sa jonima inertnog gasa, dolazi do ekscitacije atoma
ispitivanog elementa, a nakon toga do emisije elektromagnetnih
zraka rezonantne talasne duine. Do danas su uspjeno konstruisane
cijevi sa upljom katodom za veliki broj elemenata (metala). Cijevi
sa upljom katodom nisu konstruisane za elemente koji imaju
rezonantnu liniju u oblasti ispod 190 nm (vakuumska UV oblast), jer
je spektrofotometrijsko mjerenje u
4
ovoj oblasti teko izvodljivo (potreban je vakuum), a to su
elementi C, H, N, O, S, P, halogeni elementi i inertni gasovi. 2.5.
Apsorpcioni dio Uloga apsorpcionog dijela atomskog apsorpcionog
spektrofotometra je da stvara atome ispitivanog metala u osnovnom
stanju, koji e apsorbovati upadnu svjetlost iz izvora svjetlosti.
Ovaj dio je ujedno i najvaniji dio atomskog apsorpcionog
spektrofotometra, jer osetljivost odreivanja neposredno zavisi od
broja nastalih atoma metala u osnovnom stanju po jedinici zapremine
kroz koju prolazi rezonantni svjetlosni zrak, odnosno od
efikasnosti atomizacije. 2.5.1. Atomizacija pomou plamena Da bi
dolo do apsorpcije elektromagnetnih zraka rezonantne talasne duine,
ispitivani element se mora prevesti u atomsko stanje. Atomizacija
se izvodi pomou toplotne energije plamena ili drugih bezplamenih
metoda. U sluaju primjene plamena, najjednostavniji nain uvoenja
ispitivanog metala u plamen je da se pripremi njegov rastvor koji
se zatim raspruje pomou pneumatskog rasprivaa i u vidu finih
kapljica rastvora (aerosola) uvodi u plamen. 2.5.2. Termika
disocijacija U plamenu se pod dejstvom toplotne energije odvijaju
sljedei procesi (Slika 3.)
Slika 3. ematski prikaz procesa u plamenu
5
-
rastvara isprava, pri emu so metala ostaje u vrstom stanju; so
ispitivanog metala isparava (sublimuje) u molekularno stanje;
molekuli disociraju na atome (termika disocijacija); pojedini atomi
prelaze u ekscitovano stanje; neki atomi metala gube svoje valentne
elektrone i prelaze u jonizovano stanje; dio atoma se jedini sa
nekim anionima u molekule, ili se stvaraju oksidi ili hidroksidi,
koji takoer mogu da preu u ekscitovano stanje.
Odnos broja atoma u ekscitovanom stanju (Nj) i u osnovnom stanju
(No) moe se izraunati na osnovu statistike mehanike u zavisnosti od
temperature (T):
Pj i Po su tzv. statistike teine, koje pripadaju dvjema vrstama
stanja atoma. Ej je energija potrebna za ekscitaciju na temperaturi
T, dok je k Boltzmann-ova konstanta. Meutim, udio atoma koji se
pobuuje i jonizuje znatno je manji od udjela atoma koji ostaju u
nepobuenom stanju u atomskoj pari ((Nj
