Espectroscopia de emisión atómica

La espectroscopia de emisión atómica ( AES ) es un método de análisis químico que utiliza la intensidad de la luz emitida por una llama , plasma , arco o chispa en una longitud de onda particular para determinar la cantidad de un elemento en una muestra. La longitud de onda de la línea espectral atómica en el espectro de emisión proporciona la identidad del elemento, mientras que la intensidad de la luz emitida es proporcional al número de átomos del elemento. La muestra puede excitarse mediante varios métodos.

La espectroscopia de emisión atómica nos permite medir las interacciones entre la radiación electromagnética y los átomos y moléculas físicos. Esta interacción se mide en forma de ondas electromagnéticas que representan los cambios de energía entre los niveles de energía atómica. Cuando los elementos se queman con una llama, emiten radiación electromagnética que se puede registrar en forma de líneas espectrales . Cada elemento tiene su propia línea espectral única debido al hecho de que cada elemento tiene una disposición atómica diferente, por lo que este método es una herramienta importante para identificar la composición de los materiales. Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff fueron los primeros en establecer la espectroscopia de emisión atómica como una herramienta en química. ^[1]

Cuando un elemento se quema en una llama, sus átomos pasan del estado electrónico fundamental al estado electrónico excitado. A medida que los átomos en el estado excitado vuelven a bajar al estado fundamental, emiten luz. La expresión de Boltzmann se utiliza para relacionar la temperatura con la cantidad de átomos en el estado excitado, donde las temperaturas más altas indican una mayor población de átomos excitados. Esta relación se escribe como:

${\displaystyle {\frac {n_{superior}}{n_{inferior}}}={\frac {g_{superior}}{g_{inferior}}}e^{-(\varepsilon _{superior}-\varepsilon _{inferior})}/k_{B}T}$

donde n _superior y n _inferior son el número de átomos en los niveles de energía superior e inferior, g _superior y g _inferior son las degeneraciones en los niveles de energía superior e inferior, y ε _superior y ε _inferior son las energías de los niveles de energía superior e inferior. Las longitudes de onda de esta luz se pueden dispersar y medir mediante un monocromador , y la intensidad de la luz se puede aprovechar para determinar el número de electrones en estado excitado presentes. ^[2] Para la espectroscopia de emisión atómica, la radiación emitida por los átomos en el estado excitado se mide específicamente después de que ya han sido excitados.

Se puede obtener mucha información a partir del uso de la espectroscopia de emisión atómica interpretando las líneas espectrales producidas al excitar un átomo. El ancho de las líneas espectrales puede proporcionar información sobre la temperatura cinética y la densidad electrónica de un átomo . Observar las diferentes intensidades de las líneas espectrales es útil para determinar la composición química de mezclas y materiales. La espectroscopia de emisión atómica se utiliza principalmente para determinar la composición de mezclas de moléculas debido al hecho de que cada elemento tiene su propio espectro único. ^[3]

La muestra de un material (analito) se lleva a la llama en forma de gas, solución pulverizada o se inserta directamente en la llama mediante el uso de un pequeño bucle de alambre, generalmente de platino. El calor de la llama evapora el disolvente y rompe los enlaces intramoleculares para crear átomos libres. La energía térmica también excita los átomos a estados electrónicos excitados que posteriormente emiten luz cuando regresan al estado electrónico fundamental. Cada elemento emite luz a una longitud de onda característica, que se dispersa mediante una rejilla o prisma y se detecta en el espectrómetro.

Una aplicación frecuente de la medición de emisiones con la llama es la regulación de metales alcalinos para análisis farmacéuticos. ^[4]

La espectroscopia de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente (ICP-AES) utiliza un plasma acoplado inductivamente para producir átomos e iones excitados que emiten radiación electromagnética en longitudes de onda características de un elemento particular . ^{[5] [6]}

Las ventajas de la ICP-AES son el excelente límite de detección y rango dinámico lineal, capacidad multielemento, baja interferencia química y una señal estable y reproducible. Las desventajas son las interferencias espectrales (muchas líneas de emisión), el costo y los gastos operativos y el hecho de que las muestras normalmente deben estar en una solución líquida. La fuente de emisión de plasma acoplado inductivamente (ICP) consta de una bobina de inducción y plasma. Una bobina de inducción es una bobina de alambre por la que fluye una corriente alterna. Esta corriente induce un campo magnético dentro de la bobina, acoplando una gran cantidad de energía al plasma contenido en un tubo de cuarzo dentro de la bobina. El plasma es una colección de partículas cargadas (cationes y electrones) capaces, en virtud de su carga, de interactuar con un campo magnético. Los plasmas utilizados en emisiones atómicas se forman ionizando una corriente de gas argón. La alta temperatura del plasma resulta del calentamiento resistivo a medida que las partículas cargadas se mueven a través del gas. Debido a que los plasmas operan a temperaturas mucho más altas que las llamas, proporcionan una mejor atomización y una mayor población de estados excitados. La forma predominante de la matriz de muestra en la ICP-AES hoy en día es una muestra líquida: agua acidificada o sólidos digeridos en formas acuosas. Las muestras líquidas se bombean al nebulizador y a la cámara de muestra a través de una bomba peristáltica. Luego, las muestras pasan a través de un nebulizador que crea una fina niebla de partículas líquidas. Las gotas de agua más grandes se condensan en los lados de la cámara de pulverización y se eliminan a través del drenaje, mientras que las gotas de agua más finas se mueven con el flujo de argón y entran en el plasma. Con la emisión de plasma, es posible analizar muestras sólidas directamente. Estos procedimientos incluyen la incorporación de vaporización electrotérmica, ablación láser y por chispa y vaporización por descarga luminiscente.

La espectroscopia de emisión atómica por chispa o arco se utiliza para el análisis de elementos metálicos en muestras sólidas. Para materiales no conductores, la muestra se muele con polvo de grafito para que sea conductora . En los métodos tradicionales de espectroscopia de arco, una muestra del sólido se trituraba y se destruía comúnmente durante el análisis. Se hace pasar un arco eléctrico o una chispa a través de la muestra, calentándola a una temperatura alta para excitar los átomos dentro de ella. Los átomos de analito excitados emiten luz en longitudes de onda características que se pueden dispersar con un monocromador y detectar. En el pasado, las condiciones de la chispa o el arco normalmente no se controlaban bien, el análisis de los elementos en la muestra era cualitativo . Sin embargo, las fuentes de chispa modernas con descargas controladas pueden considerarse cuantitativas. Tanto el análisis de chispas cualitativo como el cuantitativo se utilizan ampliamente para el control de calidad de la producción en fundiciones e instalaciones de fundición de metales.

• Espectroscopia de absorción atómica
• Espectroscopia atómica
• Espectroscopia de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente
• Espectroscopia de ruptura inducida por láser

• "Tutorial de espectroscopia de emisión atómica". Archivado desde el original el 1 de mayo de 2006.
• Medios relacionados con Espectroscopia de emisión atómica en Wikimedia Commons