Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)

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Die Atomabsorptionsspektrometrie ist eine physikalische Standardmethode zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von Elementen, wässrigen Lösungen und Feststoffen. Durch Bestrahlung der Probe und die Absorption der Strahlung durch Wechselwirkung mit freien Atomen, kann für jedes chemische Element ein charakteristisches Linienspektrum erzeugt werden.




Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)
Methode
Englische Bezeichnung Flame atomic absorption spectroscopy(F-AAS)
Welche Materialien können gemessen werden? Saure Aliquote, wenig Probe wird benötigt, Feststoffprobe (wie z.B. Gesteinsproben) müssen zuvor aufgeschlossen werden
Zeitl. Aufwand insgesamt i.d.R. 20 - 30 Minuten bei bereits erarbeiteter Methode (Probenpräparation, Standardherstellung, Kalibration des Geräts, Analyse)

Bei mehreren Proben des gleichen Elements verkürzt sich die Zeit, da Standards und Kalibration ggf. weiter genutzt werden können

Kosten (f. Dienstleistung) i.d.R. 20-40 €/Element + Kosten für den Aufschluss
Aufbereitung
Generell mögliche Aufbereitungsarten? Zur Messung wird ein saures Aliquot benötigt:

- Vollaufschluss (bei festen Proben) - Verdünnen und Ansäuern (bei wässrigen Proben)

Aufbereitungsarten (an LMU)? Verdünnen und Ansäuern
Erforderliche Probenmenge i.d.R. wenige ml
Zeitl. Aufwand Probenaufbereitung (inkl. Reinigung) Pro Probe etwa 5 Minuten (bei wässrigen Proben)
Messprozedur
Kalibration notwendig ✔ Ja
Administrator notwendig ✔ Ja
Messung = Dienstleistung ✔ Ja
Messung selbständig möglich (nach Einweisung) ✔ Ja, bedingt
Dauer der Messung pro Probe Abhängig von der Probe, 3 - 5 Minuten/ Element
Ausgabeformat Elementkonzentration in µg/l oder mg/l, Behandlung vor der Analyse (Verdünnung o.Ä.) muss berücksichtigt werden


Grundprinzip

Die Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie (Flammen-AAS) ist eine destruktive Methode und wird zur quantitativen Bestimmung einzelner Elemente (Metalle und manche Nichtmetalle) genutzt. ist Die AAS ist eine klassisch angewandte Methode zur Einzelelementanalyse insbesondere in wässrigen Lösungen und findet eine breite Anwendung sowohl in der Grundlagenforschung (z.B. Gesteine und Böden) als auch in der Umweltanalytik, sowie im gewerblichen Einsatz. Konzentrationen können im Bereich von mg/L bis hin zu wenigen µg/L gemessen werden, abhängig von der zu messenden Probe. Für die Messung wird eine flüssige, leicht angesäuerte Probe benötigt.

Messprinzip

Die Probe wird im atomaren Zustand untersucht. Hierfür wird ein Aliquot der Probe mittels einer Zerstäubereinheit sehr fein verteilt, d.h. es wird ein Aerosol erzeugt. Das Aerosol wird in eine heiße Flamme, bestehend aus einem Brenngas und einem oxidierenden Gas (Acetylen und Luft 2200°C, Acetylen/Distickstoff 3200°C) gesprüht. Die AAS macht sich den Effekt der Atomemission und -absorption zu nutze. Durch eine Strahlungsquelle (z.B. eine Hohlkathodenlampe) wird Strahlung emittiert. Diese Strahlung wird durch die Atomisierungseinheit geleitet. Die freien Atome (z.B. Cu) in der Flamme absorbieren einen Teil der Strahlung. Die Energie der eingestrahlten Lichtintensität „I0“ wird dadurch zu einer niedrigeren Lichtintensität „I“ abgeschwächt. Die Energiedifferenz von „I0“ nach „I“ folgt dem Lambert-Beer-Gesetz. Zur Detektion dieser Extinktion wird im Monochromator das Licht in seine Spektrallinien zerlegt und die gesuchten Spektrallinien (z.B. Cu) ausgewählt. Jedes Element hat ein für sich charakteristisches Linienspektrum. Um die gewünschte Spektrallinie im Austrittsspalt erscheinen zu lassen wird ein Gitter genutzt. Der Detektor dient dazu, die Strahlung in der gesamten Umgebung zu detektieren. Anschließend werden die Signale verstärkt und können ausgewertet werden. Ausgabe der Ergebnisse ist eine Konzentration in mg/l oder µg/l.

Apparativer Aufbau des Flammen-Atomabsorptions-Spektrometers

Das Spektrometer besteht aus einer Lichtquelle (elementspezifische Lampe), einer Atomisierungseinheit (Flamme), einem Monochromator und einem Detektor.

Apparativer Aufbau des Flammen-Atomabsorptions-Spektrometers
Apparativer Aufbau des Flammen-Atomabsorptions-Spektrometers


Spezielle Anforderungen an die Probennahme und –aufbereitung, Reinigung

Zur Messung werden benötigt:

  • Standardlösung als Referenzmaterial zur Bestimmung der Konzentration
  • Blank-Lösung: Reinstwasser, welches mit HNO3 angesäuert ist, zum Spülen der Anlage vor, zwischen und nach den Messungen
  • Vorbereitete Aliquote der zu untersuchenden Probe

Kalibration und Linearer Bereich

Bei der Kalibration werden Lösungen mit bekannter Konzentration (Standards) als Referenz gemessen. Diese gemessenen Absorptionswerte werden gegen die Konzentration aufgetragen. Die so entstehenden Kalibrationsgeraden sind nicht völlig linear über den gesamten Konzentrationsbereich. Daher muss man einen geeigneten, linearen Messbereich auswählen und die Standards und die zu messenden Proben zuvor entsprechend verdünnen. Grund hierfür ist, dass das Lambert-Beer´sche Gesetz nur im linearen Bereich der Gerade gültig ist. Die Wahl eines geeigneten linearen Bereichs ist also sehr wichtig.

Standardherstellung

Bei der Herstellung der Referenzproben muss sehr penibel auf eine exakte Probenbehandlung geachtet werden. Üblicherweise stellt man etwa 5 - 7 Standardlösungen unterschiedlicher Konzentrationen her, welche den gesamten zuvor gewählten Kalibrierbereich abdecken.

Beispiel:

Linearer Bereich:

  • 0,1 mg/L bis 1 mg/L


Standardlösungen:

  • 0,1 mg/L
  • 0,3 mg/L
  • 0,5 mg/L
  • 0,7 mg/L
  • 1 mg/L


Als Referenz zur Messung des Probenmaterials dient eine Standardlösung des gesuchten Elements (z.B. für die Messung von Cu eine Cu-Standardlösung). Vorsicht: Standards für die ICP-Analyse können für die AAS verwendet werden. Allerdings können nicht alle AAS-Standards für ICP-Messungen genutzt werden. Grund hierfür ist, dass es sich bei der AAS um eine Einzelelementanalyse handelt. Daher können andere Elemente in AAS-Standards im Gegensatz zu ICP-Standards in unbekannten Mengen vorkommen, da diese (bei der AAS) nicht mit gemessen werden.

Matrixanpassungen

Um möglichst aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, sollte die Zusammensetzung der Standards und der Proben möglichst ähnlich sein. Zudem sollten Proben und Standards bei der Präparation gleichbehandelt werden.

  • Wenn weitere Elemente in der zu untersuchenden Probe auftreten, empfiehlt es sich, diese in Form eines Standards auch zu den Kalibrierlösungen (Standardlösung) in entsprechender Konzentration hinzuzufügen.
  • Sollte die zu untersuchende Probe erhöhte Konzentrationen weiterer Elemente (wie z.B. Salze) haben, muss die Probe entsprechend verdünnt werden. Zudem sollte diese Ionenstärke auch dem Standard beigefügt werden, um Probe und Standard möglichst ähnlich zu halten.

Probenpräparation

Probenmaterial, welches mit einer Flammen-AAS gemessen werden soll, muss flüssig vorliegen. Feststoffproben müssen daher zuerst entsprechend aufgeschlossen werden. Das Aliquot muss vor der Messung mit einer Säure angesäuert werden. Die Probe muss zudem auch so verdünnt werden, dass sie in dem linearen Bereich der Kalibration sein wird. Kann man den Konzentrationsbereich einer Probe nicht abschätzen, fängt man mit hohen Verdünnungen an und tastet sich langsam an die Konzentration heran. Die Bestimmung der Konzentration von Proben mit völlig unbekannter Konzentration dauert also länger, da man ggf. mehrere Verdünnungen messen muss.

Fehlerquellen

  • Kontamination der Probe
  • Kontamination des Probengefäßes
  • Verdünnungsfehler
  • Interferenz durch Begleitsubstanzen
  • Hohe Salzfrachten zerstören die Atomisierungseinheit
  • Hohe Salzfrachten bei verhältnismäßig geringer Konzentration an Metallen (Detektionslimit der Metalle bei Verdünnung kann erreicht werden

Vor- und Nachteile

+ Schnelle Methode für Einzelelementanalysen
+ Gerätanschaffungs- und Betriebskosten sind relativ günstig

- Sehr aufwendig für Multielementanalysen
- Hohe Salzfrachten in den Aliquoten führt dazu, dass an der Brenneröffnung Salze auskristallisieren, welche die Messung verfälschen
- Bei schweren Matrixbedingungen (z.B. hohe Salzfracht) wird schnell das Detektionslimit erreicht

Einsatzbereiche

Die AAS findet eine breite Anwendung sowohl in der Grundlagenforschung als auch in Umwelt, Hygiene, Medizin und Forensik sowie vielen weiteren gewerblichen Untersuchungsfeldern:

  • Zur Charakterisierung von Materialien
  • Geowissenschaften und Geographie: z.B. Untersuchung von Gesteinen und Böden, Umweltanalytik
Archäometrie: Untersuchung von Pigmenten, Keramik und Glas sowie metallurgische Untersuchungen von Werkzeugen, Schmuck und Münzen
Biochemie und Mikrobiologie: z.B. Untersuchung von Metalloenzymen und zelltoxikologische Untersuchungen
Reinheits- und Qualitätskontrollen (Produktion)
Sondermüllklassifizierung
  • Boden- und Gewässeruntersuchungen
  • Trinkwasserüberwachung
  • In der Arbeitssicherheit zur Bestimmung toxischer Metalle am Arbeitsplatz, Metallgehalt von einatembaren Aerosolen
  • In der Medizin zur Bestimmung
essentieller Metalle in humanbiologischen Proben (Blut, Urin, Stuhl, Gewebe)
toxischer Metalle in humanbiologischen Proben
  • In der Kriminalistik und Forensik zur Untersuchung von
Vergiftungsfällen (Haaranalysen, Mageninhalte)
Lackspuren, Schmauchspuren
Aufdeckung von Abfallkriminalität

Lehrveranstaltungen

Theorie und Durchführung der Atomabsorptionsspektrometrie ist Teil der Lehrveranstaltungen:

M.Sc. Geomaterialien & Geochemie:

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Literatur

  • Höll, K., 2010. Wasser, Nutzung im Kreislauf: Hygiene, Analyse und Bewertung. De Gruyter, Berlin, Boston.
  • Amthauer, G., Pavicevic, M.K., 2000. Physikalisch-chemische Untersuchungsmethoden in den-Geowissenschaften, Band 1: Mikroskopische, analytische und massenspektrometrische Methoden, E. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart.

Referenzen


Autor:innen

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Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:
Kai Tandon, Iphigenia Anagnostopoulos, Elena Zwerschke
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