Espectrometria de Absorção Atômica

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Disciplina: Análise Ambiental
Curso: Biomedicina
Professor: Eduardo
 
Espectrometria de absorção atômica
Aluno: Jenifer Suelen Figueiredo 				R.A: 201912509
Aluno: Fernanda Cristina Serbilla				R.A: 201811199
Aluno: Paulo Henrique Gama Morais			R.A: 201811459
Aluno: Rodrigo Pinheiro Silva				R.A: 201811457
Introdução
Considerada como uma técnica analítica bem sucedida, a espectrometria de absorção atômica (AAS - Atomic Absorption Spectrometry) é uma das mais utilizadas na determinação de elementos em baixas concentrações, que estão presentes numa variedade de amostras, sejam estas líquidas, sólidas, em suspensão, e até mesmo gasosas, podendo estar associada a sistemas de análise em fluxo e permitir estudos de especiação.
A absorção da luz por meio de átomos oferece uma ferramenta analítica poderosa para as análises quantitativas e qualitativas. E a espectroscopia de absorção atômica (AAS) baseia-se no princípio onde os átomos livres em estado estável podem absorver a luz a um determinado comprimento de onda. Esta absorção é específica a cada elemento, nenhum outro elemento absorve o comprimento de onda. A espectroscopia de absorção atômica é um método de elemento único usado em análise de traços de metal de amostras biológicas, farmacêuticas, entre outras. A determinação espectroscópica de espécies pode ser realizada somente em uma amostra gaseificada onde os átomos individuais tais como Ag, Al, Au, Fe, e Mg, estão bem separados um dos outros.
O inicio
A espectrometria atômica teve papel fundamental no desenvolvimento da química. Esta página da história teve início com os experimentos de Joannes M. Marci, em 1648, através de suas observações a respeito da origem do arco-íris com bases no espalhamento da luz solar nas gotículas d’água.1 Mais tarde, em 1672, Isaac Newton descrevia a decomposição e recomposição da luz do sol por um prisma. 
Daí por diante, vários experimentos foram realizados com o espectro oriundo da decomposição da luz solar, a exemplo da descoberta da região do infravermelho pelo inglês William Herschel, em 1800, e a região do ultravioleta em 1801, pelo alemão Johann W. Ritter e o inglês William H. Wollaston. Wollaston também descobriu as linhas escuras no espectro obtido a partir da luz do sol; linhas essas que foram explicadas em 1820 por Brewster como sendo ocasionadas pelo processo de absorção da radiação na atmosfera do sol.1 Joseph Fraunhofer observou os espectros de linhas emitidos por alguns elementos químicos.
Em 1859, o químico Robert W. Bunsen em parceria com o físico Gustav R. Kirchhoff criaram um espectroscópio que lhes permitia observar as linhas de emissão de elementos químicos que eram excitados em uma chama não luminosa (queimador de Bunsen). Com o uso desse equipamento, descobriram dois novos elementos químicos, o césio e o rubídio.
Desde a descrição do processo de emissão e absorção de energia radiante por átomos na chama por Kirchhoff e Bunsen em 1860,1 a emissão atômica prendeu a atenção dos pesquisadores, sendo escolhida como técnica analítica na determinação de metais, principalmente na indústria metalúrgica. 
Nestes quase 100 anos, o fenômeno da absorção de energia radiante por átomos livres no estado gasoso presentes em uma chama foi então esquecido, até mesmo pela falta de componentes necessários para o avanço das pesquisas, até que em 1954 o cientista australiano Alan Walsh propôs uma técnica analítica para determinação de metais, a espectrometria de absorção atômica em chama (FAAS - Flame Atomic Absorption Spectrometry), baseada justamente neste fenômeno, e que só foi completamente aceita a partir de 1960.14 Até então, a comunidade científica não demonstrou grande interesse pelo trabalho de Walsh, com exceção do cientista russo Boris L’vov, que, 2 anos após Walsh ter apresentado pela primeira vez a espectrometria de absorção atômica como técnica elementar, propôs um espectrômetro de absorção atômica que utilizava um forno de grafite como atomizador eletrotérmico (GF AAS - Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry), obtendo assim, uma redução bastante significativa dos limites de detecção.
Inicialmente, Walsh levantou a possibilidade de utilizar uma fonte contínua de radiação, porém, seriam necessários monocromadores de alta resolução para isolar as linhas espectrais e garantir a relação entre a absorção e a concentração, o que na época era impraticável. Walsh propôs então o uso de lâmpadas de emissão de linhas espectrais atômicas, cujas larguras são mais estreitas que as linhas de absorção.
 Foram empregadas lâmpadas de catodo oco (HCL - hollow cathode lamps) como fontes de linha. Estas lâmpadas foram propostas inicialmente por Paschen, em 1916, porém, naquela época eram instáveis e apresentavam dificuldades de operação, pois necessitavam de uma atmosfera de argônio de 1 KPa que deveria ser continuamente bombeada. 
A solução encontrada por Walsh e colaboradores foi confeccionar as HCLs em tubos selados de vidro com janela de quartzo. As HCLs foram, então, peças fundamentais para o desenvolvimento do espectrômetro de absorção atômica, dispensando o emprego de monocromadores de alta resolução.
Ao longo dos anos foram ocorrendo novos avanços que contribuíram para o desenvolvimento da AAS, a exemplo da câmara de pré-mistura acoplada aos queimadores dos espectrômetros de chama, da lâmpada de catodo oco de alta intensidade, da introdução do conceito STPF (stabilized temperature platform furnace), por Slavin et al..
 Ocorreram também pesquisas e aplicação de novas fontes de radiação como as lâmpadas de descarga sem eletrodo (EDL - electrodeless discharge lamps), HCLs multi-elementares e o uso de laser de diodos.1 As lâmpadas multi-elementares foram propostas e muito usadas em meados da década de 60. 
Estas só são aplicáveis a grupos de elementos com propriedades similares, desde que os elementos combinados na lâmpada não apresentem interferências espectrais entre si. Por causa das suas intensidades de emissão reduzidas, comparadas com as HCLs mono-elementares, estas fontes de radiação não obtiveram ampla aplicação.
A espectrometria de absorção atômica atraiu bastante interesse, mostrado pelo crescente número de publicações a partir de 1960, devido a sua simplicidade e baixo custo de operação. Este interesse é mais evidenciado analisando-se o número de laboratórios que adquiriram este equipamento, principalmente os laboratórios industriais.20 Com o desenvolvimento, a passos largos, da espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES) e da espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICPMS), as vantagens e desvantagens de cada técnica passaram a ser comparadas. 
A AAS apresenta algumas vantagens quando comparada com a técnica de emissão óptica, tais como, menor custo do equipamento, menor custo operacional, facilidade de operação, além do reduzido número de linhas espectrais, que acarreta uma possibilidade bem menor de interferência por sobreposição de linhas. 
Quanto às desvantagens, a espectrometria de absorção atômica apresenta faixa linear de trabalho relativamente pequena, menor freqüência analítica quando se utiliza atomização eletrotérmica, elementos não metálicos como fósforo e enxofre não são determinados facilmente e, principalmente, é considerada uma técnica analítica mono-elementar, fato que é reconhecido como a maior desvantagem. 
Com base no desenvolvimento da ICP OES, começaram a aparecer previsões a respeito do abandono da AAS como técnica analítica. Em 1989, Hieftje publicou uma revisão onde demonstrou a redução no número de publicações acadêmicas que faziam uso da espectrometria de absorção atômica, a partir daí chamou a atenção a respeito da possibilidade desta técnica analítica cair em desuso e ser retirada do mercado até o ano de 2000, caso esta tendência continuasse e se não houvesse novos avanços tecnológicos. 
Atualmente, verifica-se que a AAS é ainda bastante empregada e que ganha bastante força com o emprego de técnicas de injeção em fluxo e possibilidade de separaçãoe pré-concentração on-line. Segundo Sneddon e colaboradores, o uso e o interesse pela AAS não são representados pelo número de publicações, que são indicativos do interesse acadêmico, mas sim, pelo número de laboratórios que fazem uso desta técnica.
A partir da invenção do espectroscópio vários elementos foram descobertos:
Dois tipos de interações são exploradas como base dos métodos de espectrometria:
· Absorção – a luz é absorvida por um átomo, íon ou molécula indo para um estado energético mais elevado.
· Emissão – é a emissão de um fóton pelo atómo, íon ou molécula, retornando para um estado energético mais baixo (inclui a fluorescência)
Nós utilizaremos é método de absorção atômica.
Processo de atomização das amostras
Em absorção atômica o analito pode ser atomizado por duas formas: chama ou por forno aquecido eletricamente. 
· Atomização por chama: comum em equipamentos mais antigos
· A amostra deve estar na forma de solução 
· A radiação luminosa da chama interfere no valor de radiação absorvida na amostra, por isso deve ser subtraída. 
Em geral, estes equipamentos não somente convertem os componentes das amostras em átomos ou íons elementares, mas também, excitam uma fração dessas espécies a altos estados eletrônicos. Com isso, ocorre a rápida relaxação dessas espécies excitadas que é acompanhada pela produção de linhas espectrais ultravioletas e visíveis que são úteis na análise qualitativa e quantitativa. A base da espectroscopia de emissão atômica se deu na atomização e excitação por chama, arco elétrico e centelha elétrica, e esses métodos ainda têm aplicações importantes na análise de elementos metálicos. 
Os métodos analíticos mais comuns utilizados neste tipo de análise são:
· Espectrofotometria de absorção atómica com atomização em chama;
· Espectrofotometria de absorção atómica em forno de grafite;
Dentre os instrumentos que compõem a espectroscopia de absorção atômica, a fonte mais utilizada para as medições de absorção atômica é uma lâmpada de cátodo oco. Composta por um ânodo de tungstênio e um cátodo cilíndrico apoiado em um tubo de vidro que contém gás inerte, como por exemplo, o argônio. O cátodo é feito com o elemento a ser analisado. É necessário calor para gaseificar a amostra e este calor é gerado a partir de uma chama ou forno de grafita.
A espectroscopia de emissão atômica por chama pode analisar apenas soluções, ao passo que a espectroscopia de emissão atômica com forno pode analisar soluções e amostras sólidas.
Espectrofotometria de absorção atómica com atomização em chama
Para a atomização da amostra, a solução contendo o analito é nebulizada por um fluxo oxidante gasoso e levada a chama onde ocorre a atomização. Na chama vários processos ocorrem quase que instantaneamente até a formação dos átomos.
A Etapa de atomização é a etapa mais crítica em espectrometria por chama e a ela que limita a precisão do método. Nela deve-se ter cuidado com a região da chama onde a amostra é inserida. Na região interzonal há predominância de átomos livres e apresenta temperatura máxima, esta é a região utilizada para espectrometria, pois apresenta absorção máxima. 
Na espectrofotometria de absorção atómica com atomização em chama, é necessário: uma fonte de luz, uma fonte de átomos ou atomizador, um monocromador que define o comprimento de onda na medição a realizar, um detetor, equipamento eletrónico que consiga processar o sinal recebido e software adequado para o tratamento dos dados.
A fonte de luz geralmente utilizada é a lâmpada de cátodo oco (HCL) ou uma lâmpada de descarga (EDL). Estas lâmpadas contêm uma atmosfera de árgon a pressão reduzida e uma pequena quantidade do elemento que se pretende determinar. As EDL distinguem-se das HCL por produzirem uma maior intensidade de radiação, sendo mais adequadas para medições na zona do ultravioleta mais longínquo ( λ<200 nm). Também pode ser utilizada uma lâmpada de multielementos que permite analisar mais que um elemento com a mesma lâmpada.
O atomizador vai ser responsável pela produção de átomos livres a partir da amostra. Este fenómeno é conseguido através do calor proveniente de uma chama composta por um oxidante e um combustível, por exemplo, ar e acetileno ou óxido nitroso e acetileno. Através de uma câmara de spray e de um nebulizador, a amostra é submetida à chama sob a forma de um aerossol. A velocidade de funcionamento do nebulizador e o seu alinhamento no sistema podem ser ajustados de modo a que a radiação passe eficazmente pela chama, obtendo um sinal máximo.
Espectrofotometria de absorção atómica em forno de grafite
A espectrofotometria de absorção atómica em forno de grafite funciona de forma semelhante ao que foi descrito para a espectrofotometria de absorção atómica com atomização em chama, diferindo apenas no sistema atomizador. 
A amostra analisada passa por três etapas: 
1. Evaporação: para eliminação do solvente
2. Calcinação: para eliminação da matriz
3. Atomizaçao: Formação de átomos a temperatura elevada.
Essa análise requer menos amostra e é mais acessível. É possível analisar sólidos diretamente. 
A amostra é colocada num tubo de grafite, onde é sujeita a vários passos programados de aquecimento. Esta fase permite a remoção do solvente e de outros componentes da amostra e a formação de átomos. Uma das desvantagens da atomização em chama é que apenas uma pequena quantidade de amostra chega à chama e passa muito rapidamente pela trajetória da radiação. Com o tubo de grafite, a amostra é totalmente atomizada e exposta à radiação por um período de tempo mais longo, proporcionando maior sensibilidade e limites de deteção mais baixos. 
Exemplos desse mecanismo é dado a seguir, onde M é o analito, C é o carbono e O é o oxigênio, e g corresponde a fase gasosa e s à fase sólida.
M (s) ➨ M (g)
MO (s) + C(s) ➨ M (g) + CO (g)
MO (s) ➨ MO (g)
MO (g) ➨ M (g) + O (g)
CO (g) + O (g) ➨ CO2 (g).
 Os tempos de análise para a EAA de forno de grafite são mais longos que àqueles para a EAA de chama, e menos elementos podem ser determinados com essa técnica. Mesmo assim, a sensitividade aumentada da EAA de forno de grafite, sua habilidade de analisar amostras de concentração muito pequena e de analisar diretamente certos tipos de amostras sólidas expandem significativamente a aplicabilidade da espectroscopia de absorção atômica.
REFERÊNCIAS 
PerkinElmer, Inc, 2011. The 30-Minute Guide to ICP-MS. URL: http://www.perkinelmer.com/ PDFs/Downloads/ tch_icpmsthirtyminuteguide.pdf
PerkinElmer, Inc, 2013. World leader in AA, ICP-OES and ICP-MS. URL: http://www.perkinelmer.com/ pdfs/downloads/ bro_worldleaderaaicpmsicpms.pdf
http://www.ufjf.br/baccan/files/2011/05/AAS-geral-parte-1-revisada.pdf
http://www.scielo.br/pdf/qn/v31n7/v31n7a33.pdf
http://www.cnpsa.embrapa.br/met/images/arquivos/18MET/palestras/31-10-2013/Abs_Atomica_Daniela.pdf
https://knoow.net/ciencterravida/biologia/espectrofotometria-de-absorcao-atomica/
https://www.portaleducacao.com.br/conteudo/artigos/farmacia/espectrometria-de-absorcao-atomica-e-fluorescencia-atomica/28405
https://www.dctech.com.br/espectroscopia-de-absorcao-atomica-detalhamento-de-tecnicas-atomizadores/