DETERMINAREA PLUMBULUI PRIN SPECTROMETRIE DE ABSORBŢIE ATOMICĂ CU ATOMIZARE ELECTROTERMICĂ (Et-AAS)

Introducere

Plumbul metalic si compusii sai sunt toxici; ei pot patrunde în organism prin ingerare, inhalare, sau resorbtie prin piele (otravirea acuta cu plumb este rar datorata slabei resorbtii). Asimilarea continua de cantitati mici de plumb este de departe mai periculoasa. Initial, plumbul este slab legat de eritrocite si doar o mica parte este eliminat prin urina, majoritatea fiind acumulat în oase.

Dintre toti compusii organici ai plumbului, formele trialchilate prezinta cel mai puternic efect neurotoxic pentru mamifere. Dupa asimilare, formele tetraalchilate sunt rapid metabolizate la forme trialchilate.

În mediu, principala sursa de compusi organici ai plumbului o reprezinta folosirea lor ca agenti antioxidanti pentru benzina. Ca rezultat al legislatiei, în multe tari aceasta sursa de poluare este în scadere. Odata patrunsi în atmosfera, compusii tetraalchilici ai plumbului se descompun fotocatalitic, proces ce poate fi foarte rapid în conditiile date. Produsii de descompunere sunt compusi ai plumbului tri-, di-, monoalchilati. Plumbul este un element poluant omniprezent în toate zonele biosferei.

Rareori, apele naturale contin o concentratie mai mare de 5 µg/L Pb, dar au fost totusi raportate si concentratii 545j93f mai mari de plumb. O alta sursa de plumb în apa de la robinet o poate reprezenta si conductele de plumb prin care aceasta circula.

Pentru determinarea plumbului se poate aplica o metoda colorimetrica si anume metoda cu ditizona, spectrometria de absorbtie atomica cu flacara respectiv cu atomizare electrotermica (cuptor de grafit), precum si spectrometria de emisie atomica cu plasma cuplata inductiv. Spectrometria de absorbtie atomica cu flacara prezinta o limita de detectie relativ ridicata, necesitând aplicarea unui procedeu de extractie în cazul analizei apei potabile în care se gasesc concentratii scazute de plumb. Spectrometria de absorbtie atomica cu atomizare electrotermica este mult mai sensibila pentru concentratii scazute de plumb si nu necesita extractie. Spectrometria de emisie atomica cu plasma cuplata inductiv prezinta o sensibilitate similara cu cea a spectrometriei de absorbtie atomica cu flacara.

În aceasta lucrare se prezinta un procedeu de determinare a plumbului din aerul unui loc de munca expus la aceasta noxa chimica prin metoda spectrometriei de absorbtie atomice cu atomizare electrotermica.

Reactivi si aparatura

Acid azotic 65 % suprapur (Aldrich), amonium dihidrogen fosfat (Merck), apa distilata (conductivitate 4 µSiemens/cm).

Acid azotic 0,2 % se dilueaza 3,076 mL HNO₃ suprapur cu 1000 mL apa distilata.

Modificator de matrice pentru cuptorul de grafit - se dizolva 0,4 g de amoniu dihidrogen fosfat în 10 mL de apa distilata.

Standard comercial de plumb de concentratie 1000 mg/L (Aldrich).

Standard de plumb de concentratie 10 mg/L: în balon cotat din teflon de 25 mL se dilueaza 250 µL de standard de plumb de concentratie 1000 mg/L cu 25 mL de HNO₃ 0,2 % suprapur.

Standard de plumb de concentratie 100 µg/L: în balon cotat din teflon de 25 mL se dilueaza 250 µL de standard de plumb de concentratie 10 mg/L cu 25 mL de HNO₃ 0,2 % suprapur.

Standard de plumb de concentratie 10 µg/L: în balon cotat din teflon de 25 mL se dilueaza 250 µL de standard de plumb de concentratie 100 µg/L cu 25 mL de HNO₃ 0,2 % suprapur.

Standardele de plumb de concentratie 2, 4 µg/L sunt obtinute prin diluarea automata efectuata de catre autosamplerul spectrofotometrului de absorbtie atomica "Perkin Elmer", model "Analyst 700" a standardului de plumb de concentratie 10 µg/L cu acid azotic 0,2 %.

Toate determinarile de plumb au fost efectuate folosind spectrofotometrul de absorbtie atomica "Perkin Elmer", model "Analyst 700", echipat cu:

sursa de radiatii - consta într-o sursa luminoasa ce emite spectrul de linii caracteristice elementului analizat (Pb): o lampa cu catod cavitar (asezata pe un sistem automat de transport cu opt pozitii pentru lampi).

sursa de corectie a fondului: lampa de deuteriu.

monocromator- folosit pentru izolarea unei linii de absorbtie din spectrul de linii caracteristice elementului analizat.

detector solid asociat cu sistem de amplificare electronica si echipament de masurare.

sursa de atomizare reprezentata de cuptorul de grafit cu încalzire electrica longitudinala. Tensiunea este aplicata de-a lungul tubului de grafit, paralel cu fasciculul de radiatie. Sursa de alimentare, sistemele electronice, precum si controlul pneumatic al gazului inert pentru cuptorul de grafit sunt încorporate în spectrometru. Tubul de grafit este mentinut pe pozitie în cuptor prin intermediul a doua contacte din grafit, care asigura contactele electrice pentru încalzirea tubului. Tubul de grafit este confectionat din electrografit acoperit cu grafit pirolitic si prezinta o platforma L'Vov integrata care determina ca proba si atmosfera din interiorul tubului sa fie în echilibru termic în timpul etapei de atomizare. Pentru a preveni oxidarea tubului de grafit la temperaturi înalte si pentru purjarea din tub a vaporilor si fumului este utilizat un gaz inert (argonul) atât în interiorul tubului cât si în jurul exteriorului acestuia. Racirea tubului de grafit este realizata prin cuplarea la o sursa de apa rece, o temperatura si un debit optim al apei poate raci cuptorul în 20 secunde.

autosamplerul - contine toate componentele mecanice si electrice necesare preluarii unui volum corect de solutie dintr-un container selectat, injectarii sale în tubul de grafit precum si spalarii acului de injectie. Folosirea autosamplerului pentru injectarea solutiilor în tubul de grafit duce la o îmbunatatire considerabila a rezultatelor analitice comparativ cu pipetarea manuala. Volumul pipetat este cuprins între 1 - 99 µL. În componenta autosamplerului intra si tavita cu 88 de pozitii, în care sunt asezate containere din polipropilena folosite pentru solutiile etalon, solutiile modificatorilor de matrice, solutiile probelor precum si ale diluentilor. Pozitia fiecarui container apare numerotata pe tavita.

calculator - cu soft specific "AA WinLab", care controleaza spectrofotometrul.

Mod de lucru

Se porneste compresorul de aer folosit pentru actionarea pneumatica a spectrometrului. Se deschide butelia de argon si apoi se deschide circuitul apei de racire a cuptorului de grafit. Se cupleaza la retea spectrofotometrul cu absorbtie atomica si calculatorul. Se încarca softul specific acestui instrument "AA Win Lab". Dupa efectuarea unui test automat de verificare a aparatului, din biblioteca cu metode, se alege metoda de determinare a plumbului bazata pe utilizarea cuptorului folosind modificator de matrice (NH₄H₂PO₄). Se aprind lampa cu catod cavitar de plumb si lampa de deuteriu (pentru corectia fondului) - se lasa sa se încalzeasca o jumatate de ora.

În editorul metodei, se stabilesc: cantitatea de proba/standard injectata (25 µL), cantitatea de modificator de matrice adaugata (5 µL) precum si pozitia acestuia pe tavita autosamplerului, pozitia diluantului (HNO₃ 0,2 %), numarul de replicate, tipul dreptei de calibrare (lineara/nonlineara), concentratiile standardelor folosite pentru calibrare si pozitia standardului cel mai concentrat din care prin diluare automata se prepara celelalte standarde si programul cuptorului de grafit.

Programul de temperatura al cuptorului de grafit

25 µL de blank/standard/proba sunt introduse în unitatea de atomizare si temperatura este crescuta treptat pentru a putea fi îndepartat solventul si interferentii cât mai complet posibil înaintea atomizarii. În tabelul de mai jos este prezentat programul de temperatura al cuptorului de grafit optimizat pentru determinarea plumbului.

Cele cinci etape în programul de temperatura al cuptorului de grafit au urmatorul rol:

1.2. - uscarea - are loc dupa introducerea probei în cuptor. Proba trebuie uscata la o temperatura suficient de mica pentru a evita descompunerea ei. Pentru solutiile apoase, pentru uscarea probelor, se aplica temperaturi de 100 -140 ºC. Utilizarea unei rampe de temperatura asigura cresterea temperaturii într-un interval de timp bine determinat. În cazul tuburilor de grafit cu platforma integrata (cazul prezentei lucrari), timpul corespunzator rampei de temperatura este mai scurt, un timp mai lung se aplica în cazul atomizarii probei de pe peretii tubului. Dupa rampa de temperatura, cuptorul este mentinut la temperatura de uscare selectata, pâna când uscarea este completa. Deoarece sunt utilizati doar câtiva microlitrii de proba, timpul de mentinere la temperatura constanta este de sub 1 minut. În timpul procesului de uscare, debitul de gaz intern este mentinut la valoarea sa maxima (250-300 mL/min) pentru purjarea din tub a solventului vaporizat

3. piroliza - are ca scop volatilizarea componentilor organici si anorganici ai matricei în mod selectiv fata de proba, lasând elementul de analizat într-o matrice mai putin complexa pentru a fi analizat. În tipul acestei etape, temperatura este crescuta cât de mult posibil pentru a putea volatiliza componentele matricei, dar pâna la temperatura la care ar apare pierderea analitului. Debitul de gaz intern este mentinut la 250-300 mL/min pentru a indeparta componentele volatilizate ale matricei.

4. atomizarea - are ca scop producerea populatiei de atomi corespunzatoare elementului de analizat, care sa permita masurarea absorbtiei atomice. În aceasta etapa, temperatura este crescuta pâna la punctul la care sa aiba loc disocierea speciilor moleculare volatilizate. Temperatura de atomizare este o caracteristica a elementului analizat.Pentru atomizare este de dorit ca temperatura sa fie crescuta cât de repede posibil. De aceea, timpul corespunzator rampei de temperatura va fi setat la valori minime care sa asigure cea mai mare viteza de crestere a temperaturI. La începutul acestei etape, este activata operatia de "citire" a spectrometrului, începându-se masurarea absorbtiei radiatiei luminoase.

5. curatirea - dupa atomizare, cuptorul de grafit poate fi încalzit la temperaturi mai mari, pentru a fi ars orice reziduu al probei care poate ramâne în cuptor

Trasarea dreptei de calibrare

Se citeste punctul de "zero" al instrumentului, masurând absorbanta corespunzatoare blank-ului de calibrare (HNO₃ 0,2 %). Valoarea absorbantei corespunzatoare blank-ului se va scadea automat atât din absorbantele corespunzatoare standardelor cât si probelor.

Atât pentru citirea blank-ului de calibrare cât si al standardelor si probelor este necesara adaugarea la prepararea automata a probelor a câte 5 µL solutie de NH₄H₂PO₄ (situat în pozitia 86 a autosamplerului) drept modificator de matrice.

Pentru trasarea dreptei de calibrare se folosesc standarde de plumb de concentratii 2, 4, 10 µg/L. Standardele de plumb de concentratie 2 respectiv 4 µg/L sunt obtinute prin diluarea automata efectuata de catre autosamplerul spectrofotometrului a 5 µL respectiv 10 µL de standard de plumb de concentratie 10 µg/L (dispus în pozitia 87 a autosamplerului) cu 20 µL respectiv 15 µL de acid azotic 0,2 % (pozitia diluentului în autosampler - 88).

Se citesc absorbantele corespunzatoare celor trei standarde de plumb, cu câte doua replicate fiecare la 283,3 nm. Este trasata automat dreapta de calibrare de catre softul instrumentului, în regim nonlinear. Valorile corespunzatoare coeficientului de corelatie si pantei corespunzatoare dreptei de calibrare sunt calculate automat si afisate pe monitorul calculatorului cuplat cu instrumentul analitic.

Determinarea concentratiei de plumb din mediul unui loc de munca

Se determina concentratia de plumb dintr-un mediu expus la aceasta noxa: atelierul linotip dintr-o tipografie.

Pentru a putea determina concentratia de plumb la nivel respirator, se recolteaza plumbul din trei probe de aer, în trei momente diferite, folosind în acest scop o pompa de recoltare pentru probe gazoase " Ametek". Cele trei probe de aer sunt recoltate cu un debit de aproximativ 1 L/min, timp de zece minute. Debitul de recoltare este masurat cu un calibrator de debit cu bula de sapun "Gilibrator 2", pentru fiecare proba în parte notându-se valoarea exacta a debitului masurat, pentru a putea determina volumul de aer recoltat:

Volum_aer (V_aer) = Debit (D)* timp(t)  (1)

Pentru recoltarea plumbului din probe de aer se folosesc impingere, în care se introduc câte 10 mL de acid azotic 0,2 %, acid în care este barbotat un volum V de aer, retinându-se în solutia absorbanta plumbul.

Fiecare din cele trei solutii absorbante (acid azotic 0,2 %) în care a fost retinut plumbul este transvazata cantitativ în câte un balon cotat de câte 50 mL, care este adus la semn cu acid azotic 0,2 %. Aceste solutii sunt introduse în câte trei cuve în autosamplerul spectrometrului si sunt analizate cu câte doua replicate fiecare. Sunt analizati câte 25 µL de solutie folosind spectrofotometrul cu absorbtie atomica "Analyst 700", iar absorbantele corespunzatoare fiecarei replicate în parte se interpoleaza pe dreapta de calibrare, determinându-se astfel concentratiile corespunzatoare.

Pentru a calcula concentratia de plumb exprimata în mg/m³ aer se aplica formula:

(2)

unde V_dil. = 50 mL.;

Înlocuind ecuatia (1) în relatia (2), se obtine:

(3)

unde D = debit (L/min); t = timp (min).

Deci, pentru determinarea concentratiei de plumb din probele de aer recoltate se ia în calcul concentratia de plumb obtinuta de pe dreapta de calibrare (c- exprimata în µg/L), volumul la care a fost diluata solutia absorbanta a probei (V _dil. = 50mL), debitul de aspirare al aerului (D - exprimat în L/min ) precum si timpul de aspirare a aerului în solutia absorbanta (t - exprimat în min).