OPLC: Theorie der AAS Spektruskopie

Hi,

Heute kommt wie angekündigt die Theorie zum OPLC-Versuch. Heute die Funktionsweise des AAS, darunter sich folgende Themen gliedern: Hohlkathodenlampe, Lamber-Beer Gesetz, Emmisionen von Elemente und natürlich auch die Absorbtion.

Fangen wir jedoch erstmal mit den Grundlagen an:

Absorbtion und Emmision von Atomen:

Wird ein Atom, in unserem Fall ein Kupferatom von Energie getroffen, wie z.B. Licht einer Bestimmten Wellenlänge, so wird diese Energie Absorbiert, indem die Elektronen indem Atom angeregt werden.

Dabei werden je nach Wellenlänge bestimmte Elektronen angeregt und Springen von ihrer ursprünglichen Schale in eine energiereichen Schale. Diese Wellenlängen sind Element spezifisch, weswegen sie in der Atomabsorbtionsspektroskopie genutzt werden können, bestimmte Elemente anzuregen und die Absorbtion einer auftreffenden Lichtquelle zu messen und anschließend Rückschlüsse auf den Gehalt zu machen.

Anschließend spring das Elektron wieder zurück und gibt die überschüssige Energie in Form von Licht ab. Dazu habe ich euch mal eine schnell Skizze gemacht.

Skizziertes Verhalten eines Elektrons, beim auftreffen von Energie in Form von Licht

Skizziertes Verhalten eines Elektrons, beim auftreffen von Energie in Form von Licht ©Daniel Brüggemann (Selbst erstelltes Bild)

 

Sowohl die Absorbtion als auch die Emmision werden beim AAS genutz, die Effekte der Absorbtion, also die Aufnahem von Energie in Form von Licht, wird genutzt um die Abschwächung eines Lichtsstrahls einer bestimmten Wellenlänge λ einer Probenlösung zu messen. Je stärker diese Abschwächung ist, desto mehr Atome dieses Elementes sind vorhanden. Die Aufnahme von Energie verhält sich dabei Linear nach den Lambert-Beerschen-Gesetz, was ich euch weiter unten beschreiben werde.

Wie gesagt wird auch die Emmision genutzt und zwar zur Erzeugung des Lichtes einer bestimmten Wellenlänge λ. Dazu nutzt man sogenannte Hohlkathodenlampen, die ich euch in nächsten Abschnitt erklären will.

Die Hohlkathodenlampe:

Bei der Hohlkathodenlampe handelt es sich um eine Reinelement Lampe,in dessen Inneren Kathode sich aus den spezifschen Lampenmatiral handelt. Bei einer Kupferlampe ist es damit Kupfer, bei Blei aus Blei und soweiter. Ihr Aufbau entspricht etwa diesen groben Schema:

Vereinfachte Darstellung einer reinelement Hohlkathodenlampe

Vereinfachte Darstellung einer reinelement Hohlkathodenlampe (Zum vergrößern Klicken)

Diese Materialien sind meisten auf einen Wolframdraht aufgedampft, und befinden sich in einer Schutzatmospähre. In dieser Schutzatmosphäre findet dann einen sogenannte Blitzentladung statt, dass führt zu einer Stoßionisation der Edelgasatome die wiederum an der Hohlkathode sich entladen, dort wiederum schlägt diese Energie einzelne Metallatome von der Elektrode ab. Diese angeregten Metallatome wiederum erzeugen die oben genannte Emmision einer Spezifischen Wellenlänge.

Die Lampe ist über einen sogenannten Oktalstecker mit den AAS verbunden. Die hier beschriebene Lampe ist eine der verbreitetsten Lampen für das Atom-Absorbions-Spektrometers, es gibt aber auch andere wie z.B. Elektrodenlose Lampe(EDL).

Das Lambert-Beersche-Gesetz:

Das Lambert-Beersche-Gesetz ist für die geplante Analyse essenziell, denn es linearisiert die oben genannte Extinktion. Dabei ist E=ε*c*d wo bei ε eine Stoffspezifische Konstante ist und d die Küvettendurchmesser ist. C ist wiederum die Stoffmengenkonzentration in mol/L. ε und d kann man hierbei als konstant betrachten, weswegen die Extinktion, also die Fähigkeit Licht zu absorbieren in einer Messreihe die aus denselben Bestandteilen besteht nur von der Stoffmengenkonzentration abhängig ist. Dadurch bildet sich eine gerade Linie, wenn man die Extinktion gegen die Stoffmengenkonzertration aufträgt. Unsere Probe liegt genau auf dieser Linie, weswegen wir ihren Gehalt mit einer Genauigkeit bis zu 2% bestimmen können.

Die 2% sind hierbei ein Schnittwert, denn ich in meinen fünf Jahren Laborerfahrung feststellen konnte, dies ist dabei Geräte spezifisch.

Nutzung in unseren Experiment oder aus der Theorie wird Praxis:

Wie bereits in oberen Abschnitt beschrieben nutze ich das Lambert-Beersche-Gesetz für die Konzentrationsbestimmung, zu diesem Zweck führe ich eine Kalibration wie in den Beitrag OPLC Durchführung: Bestimmung des Kupfergehalts von Leitungswasser beschrieben durch, dadurch erhalten wir fünf Lösungen mit bekannter Konzentration, die in einem Diagramm mit ihrer Extinktion (ein Bruchterm von Absorbierten Licht durch dass durchgeschickte Licht) gegen ihre Konzentration aufgetragen werden. Dabei bildet sich in diesen Konzentrationsbereich ein linearer Graph. Wenn die Konzentration nicht zu niedrig ist oder zu hoch in unsere Wasserprobe aus den Leitungen, sollte sich unsere Probe auf den Graphen wiederfinden lassen. Dazu wird die Probe eingezogen in den Schlitzbrenner und dort fein verstäubt und durch die Acetylen/Pressluftflamme auf ca 2003°C erhitzt, wodurch sich die Atome auch in Verbindungen wieder in den Grundzustand überführen lassen (schematische Darstellung des Schlitzbrenner ist unten zu entnehmen).

Nun befindet sich die Probe in den Strahlengang des AAS, wozu ich euch unten auch ein schematisches Schema eingefügt habe. Dort finden die oben genannten Vorgänge statt und mittels eines Detektors lassen nun die Extinktionswert für unsere Kalibrationslösungen und die Probe bestimmt werden.

Andere AAS Arten als das Flammenaas:

Das Flammenass ist eine der einfachsten Varianten und zeichnet sich durch einfache Bedienung und hohen Konzentrationsbereich aus, was den Verdünnungsfehler minimiert, es ist aber auch relativ ungenau, weswegen auch anderen Arten entwickelt wurden. Hier ist insbesondere das Grafitrohr-AAS zu nennen, was zum Flammenaas nicht in mg/L Bereich arbeitet, sondern in μg/L Bereich. Jedoch hat das Grafitrohr-AAS einige Nachteile, aufgrund der hohen Genauigkeit ist es abhängig von der Probenmatrix, also den Bestandteilen der Probe, weswegen sich nur eine Standardaddition sich anbietet. Auch machen hochkonzentrierte Proben bei diesen AAS-Typ Probleme.

Es gibt noch weitere AAS-Systeme wie das auf Hydridtechnik basierende AAS, das sind meist jedoch spezial Varianten und sind nicht weit verbreitet.

Abschließend:

Ich hoffe ich konnte euch ein wenig durch die Grundlagen zum AAS führen, die Grundlagen dahinter sind sehr komplex und füllen ganze Bücherbände, bitte habt daher auch Verständnis, das ich nicht auf jedes Detail eingehen kann. Eine Videovariante dieses Textes wird noch folgend, sobald ich in die Experimentalphase gehe.

Quellen:

  1. Dr. Draeger, Ausbildungsskript: Atomabsorptionsspektroskopie (AAS); Lise-Meitner-Schule Berlin Oberstuffenzentrum für Chemie, Physik und Biologie; Berlin 2013

Bildquellen:

Alle in diesen Artikel vorhanden Bilder sind Eigentum von Daniel Brüggemann und wurden selber Erstellt, basieren auf Quelle 1.

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