Atomaire-emissiespectrometrie
of
AES
(soms ook aangeduid met
V
lam
E
missie
S
pectroscopie:
VES
) is in de
scheikunde
een kwantitatieve
analytische
techniek die de
elementen
-samenstelling van een monster kan vaststellen. De techniek is gebaseerd op hetzelfde effect dat zorgt voor de verschillende kleuren van
Bengaals vuur
. De kleur van de vlam is namelijk afhankelijk van de metaalzouten die in het monster zitten. Door de
emissielijnen
van de vlam te bestuderen kan de samenstelling van het monster achterhaald worden. Als zodanig is AES het omgekeerde van
atomaire-absorptiespectrometrie
.
In een atomaire-emissiespectrometer wordt gebruikgemaakt van een zeer zuivere en zeer hete vlam, en worden de monsters in opgeloste vorm door een slangetje met zeer constante snelheid in de vlam gebracht. De emissielijnen voor elementen waarin men is geinteresseerd worden
kwantitatief
gemeten door het licht dat door de vlam wordt uitgezonden via een
tralie
te ontleden, en met een
fotomultiplicatorbuis
het spectrum te analyseren.
Met deze techniek wordt geen onderscheid gemaakt tussen
moleculen
: het is een methode om de concentratie van elementen in een monster te bepalen (
atoomspectroscopie
in tegenstelling tot
molecuulspectroscopie
). Ook kan niet worden bepaald of een element in een bepaalde ionisatietoestand aanwezig is in het monster: alles wordt bij elkaar opgeteld. Met deze methode kan men enkel verschillende soorten metaalionen opsporen aan de hand van de
golflengte
van het uitgezonden licht.
Informeel wordt deze techniek ook weleens aangeduid met
vlamproef
of
vlamtest
.
AES is een indirecte techniek, dat impliceert dat de gemeten waarden worden vergeleken met waarden afkomstig van standaarden. Deze externe standaarden bestaan uit een reeks oplossingen met oplopende en exact bekende hoeveelheden van het te bepalen element.
Door de
temperatuur
van de
vlam
worden de
valentie-elektronen
in een hogere baan gebracht, omdat ze een hogere
kinetische energie
verkrijgen. Dit proces wordt
excitatie
genoemd. De gebruikte AES-methode berust op de overgang van valentie-elektronen in vrije atomen van het hogere energieniveau naar de
grondtoestand
. Bij deze overgang komt energie vrij, onder anderen in de vorm van
licht
(
fotonen
of energie-kwanta worden uitgezonden). Deze energie komt vrij omdat het elektron in
geexciteerde toestand
te veel energie bezit om terug naar een lagere (en dus energetisch gunstiger) schaal te komen. Elk soort
atoom
kan slechts licht van bepaalde golflengtes emitteren of uitzenden, namelijk diegene die overeenkomen met de verschillen in de energieniveaus van het atoom. Via de
constante van Planck
is het verschil in energie gekoppeld aan de golflengte (kleur) van het uitgezonden licht:
of anders:
waarin
- E
de energie is, gekoppeld aan de golflengte
- h
de constante van Planck is
- ν
de frequentie van het uitgezonden licht is
- c
de
lichtsnelheid
is
- λ
de golflengte van het uitgezonden licht is
De
intensiteit
van het uitgezonden licht (luminantie) binnen een bepaald concentratiegebied is recht evenredig met de concentratie atomen.
Atomen in aangeslagen toestand worden verkregen door een metaaloplossing (metaalionen in een brandbare
vloeistof
, zoals
ethanol
) te verstuiven in een vlam. De oplossing wordt door middel van een pneumatische
verstuiver
in de vlam gebracht. Lucht stroomt met grote snelheid langs de uitmonding van een
capillair
dat in de monsteroplossing steekt. Door de constante onderdruk wordt de oplossing aangezogen en als een nevel van fijne druppeltjes in de verstuivingskamer geblazen. Bij het doorleiden van de fijne nevel door de vlam gaat de oplossing verdampen en de stof valt uiteen in atomaire dampvorm. De atomen nemen een precieze hoeveelheid energie op uit de hitte en geraken in aangeslagen toestand.
Wanneer dat atoom die energie weer afstaat tijdens het vervallen naar de grondtoestand, gebeurt dat in de vorm van een foton met een welbepaalde golflengte. Indien in de vlam alleen gedestilleerd
water
wordt verstoven, treedt er geen emissie op in het spectrum van de
natriumionen
, deze waarde wordt gebruikt om het toestel te ijken.
Tijdens de analyse wordt de lichtintensiteit gemeten binnen het welbepaalde spectrum door middel van een
fotomultiplicator
. Dit toestel zal een elektrisch signaal produceren in verhouding met de lichtintensiteit. Deze gemeten waarden kunnen door de
software
van het sturingsprogramma van het AES-toestel tot een calibratielijn worden omgerekend. Dit is een lijn die de relatie te weergeeft tussen de concentratie van een te bepalen stof en het meetsignaal, dankzij deze techniek zijn we in staat de onbekende concentratie natrium
ionen
met behulp van de lichtintensiteitwaarde (I) te bepalen.
De oorspronkelijke AES beperkte zich tot de
alkali-
en
aardalkalimetalen
, omdat bij deze elementen de valentie-elektronen relatief makkelijk (dat wil zeggen bij een lage temperatuur) al in een hogere baan te plaatsen zijn. Dit heeft te maken met het feit dat ze een 1s
1
- of een 1s
2
-configuratie bezitten en dus eenvoudig hun elektronen kunnen afstaan om de
edelgasconfiguratie
te verkrijgen. Het gebruik van de
bunsenbrander
of daarop gebaseerde branders, leveren meestal niet de temperatuur, en daarmee de energie, die nodig is om andere elementen tot een
analytisch
reproduceerbare emissie van licht te brengen. Een echte
monochromator
is niet noodzakelijk, een simpel filter volstaat om de storende
straling
van andere elementen te verwijderen.
Het gebruik van de duurdere kaliumzouten in de analytische chemie, in vergelijking met de in hun
anion
overeenkomende natriumzouten, is ook terug te voeren op de AES. De voornaamste verontreiniging van natriumzouten bestaat uit kaliumzouten en omgekeerd. In de AES is een spoortje natrium, en daarmee de zuiverheid, in een kaliumzout simpel te controleren: het gele natriumlicht overstraalt de paarsige kaliumkleur heel snel. Omgekeerd is de paarse kaliumkleur in een natriumvlam met het blote oog nauwelijks waarneembaar. Kaliumzouten zijn dus makkelijker
controleerbaar
zuiver.
Het gebruik van
ICP
heeft het probleem van de beperkte toepassing door te lage vlam-temperatuur wel opgelost, maar is voor de routinematige bepaling van
Na
,
K
en
Ca
(als niet ook andere elementen bepaald hoeven te worden) in verband met de veel hogere kosten nog geen standaard.
Bronnen, noten en/of referenties
|