L’assorbimento atomico in fiamma (FAAS): come funziona

La spettroscopia di assorbimento atomico in fiamma (FAAS) è da decenni il metodo di riferimento per misurare i metalli in soluzione: aspira il campione in una fiamma, lo trasforma in una nuvola di atomi liberi e misura quanta luce, di una lunghezza d’onda precisa, quegli atomi assorbono. È robusta, economica e precisa, ed è ancora oggi presente in quasi tutti i laboratori di controllo qualità.

Vediamo come la fiamma genera gli atomi, perché serve una lampada a catodo cavo, che cos’è l’assorbimento di riga e come la legge di Beer si applica agli atomi.

Dalla soluzione agli atomi liberi

Il principio della FAAS è che soltanto gli atomi liberi allo stato fondamentale assorbono la luce. Il compito della fiamma è proprio quello di liberare gli atomi dell’analita. La soluzione viene aspirata da un nebulizzatore, trasformata in un aerosol finissimo e introdotta nella fiamma; qui il solvente evapora, il sale residuo fonde e si decompone, e infine le molecole si dissociano lasciando atomi liberi. È questa nuvola di atomi neutri che attraversa il fascio di luce e ne assorbe una parte.

Le fiamme e la temperatura

La fiamma piu’ comune e’ quella aria-acetilene, che raggiunge circa 2300 °C ed e’ adatta alla maggior parte dei metalli. Per gli elementi che formano ossidi refrattari difficili da dissociare (alluminio, titanio, calcio in certe matrici) si usa la fiamma piu’ calda protossido d’azoto-acetilene, che supera i 2900 °C. La temperatura deve essere sufficiente a liberare gli atomi, ma non cosi’ alta da eccitarli o ionizzarli troppo: in FAAS interessa la popolazione allo stato fondamentale, perche’ e’ quella che assorbe.

La lampada a catodo cavo

Le righe di assorbimento atomiche sono strettissime, molto piu’ strette delle bande molecolari. Per misurarle serve una sorgente che emetta una luce altrettanto stretta e centrata esattamente sulla riga dell’elemento: e’ la lampada a catodo cavo (HCL). Il suo catodo e’ fatto dello stesso elemento che si vuole misurare; eccitato da una scarica elettrica, emette proprio le righe caratteristiche di quell’elemento. In pratica, per misurare il rame si monta una lampada al rame, per lo zinco una lampada allo zinco, e cosi’ via.

L’assorbimento di riga

Qui sta l’idea geniale dell’assorbimento atomico, dovuta a Walsh: la sorgente emette la stessa riga che l’analita deve assorbire. La lampada al rame emette la riga del rame a 324,7 nm; gli atomi di rame nella fiamma assorbono esattamente quella riga. Poiche’ la luce emessa e’ piu’ stretta del profilo di assorbimento dell’atomo, la misura e’ specifica e poco sensibile alle interferenze spettrali. Un altro elemento, con righe a lunghezze d’onda diverse, non assorbe la luce della lampada al rame: e’ questo che rende l’AAS cosi’ selettiva.

La legge di Beer applicata agli atomi

Come in spettrofotometria molecolare, l’assorbanza segue la legge di Lambert-Beer: e’ proporzionale al numero di atomi assorbenti incontrati lungo il cammino ottico. Poiche’ quel numero e’ proporzionale alla concentrazione dell’analita in soluzione, l’assorbanza cresce linearmente con la concentrazione, almeno nell’intervallo utile.

A = ε b c  ·  per gli atomi liberi: A ∝ N (numero di atomi nel cammino ottico)

In pratica si costruisce una retta di taratura misurando l’assorbanza di standard a concentrazione nota, e da essa si ricava la concentrazione del campione. La FAAS e’ un metodo monoelemento: misura un elemento alla volta, quello per cui e’ montata la lampada, e per analizzarne un altro occorre cambiare lampada e lunghezza d’onda.

Pregi e limiti

La FAAS e’ precisa, rapida, economica e con poche interferenze, ed e’ lo standard per la determinazione dei metalli a livello di milligrammi per litro. I suoi limiti sono la natura monoelemento, la sensibilita’ modesta rispetto alle tecniche al plasma o al fornetto di grafite, e il consumo continuo di campione durante l’aspirazione. Per concentrazioni molto basse o per microcampioni si passa al fornetto di grafite, trattato nell’articolo dedicato.

Perche’ conta nella pratica

Per un tecnico di laboratorio la FAAS resta il cavallo di battaglia per la determinazione dei metalli in acque, soluzioni di processo, digeriti acidi e prodotti finiti. Capire che si misurano atomi liberi, che la lampada deve corrispondere all’elemento e che la taratura e’ lineare nell’intervallo utile permette di impostare correttamente la misura, riconoscere quando la fiamma o il nebulizzatore non lavorano bene e scegliere consapevolmente quando la FAAS basta e quando conviene passare al fornetto di grafite o al plasma.

Domande frequenti

Che cos’e’ l’assorbimento atomico in fiamma?

E’ una tecnica che misura la concentrazione di un metallo aspirando il campione in una fiamma, dove viene trasformato in atomi liberi, e misurando quanta luce di una lunghezza d’onda caratteristica quegli atomi assorbono. L’assorbanza e’ proporzionale alla concentrazione, secondo la legge di Beer applicata agli atomi. E’ un metodo monoelemento, robusto ed economico, molto diffuso nel controllo qualita’.

A cosa serve la lampada a catodo cavo?

Serve a emettere una luce strettissima centrata esattamente sulla riga di assorbimento dell’elemento da misurare. Il suo catodo e’ fatto dello stesso elemento dell’analita, quindi emette le sue righe caratteristiche. Poiche’ le righe atomiche sono molto strette, serve una sorgente altrettanto stretta: per ogni elemento si usa la lampada corrispondente.

Perche’ in FAAS si misura un solo elemento alla volta?

Perche’ la sorgente di luce e’ una lampada a catodo cavo specifica per un elemento, che emette solo le righe di quell’elemento. Per misurarne un altro occorre cambiare lampada e selezionare la sua lunghezza d’onda. E’ la natura monoelemento della tecnica, in contrasto con le tecniche al plasma che misurano molti elementi contemporaneamente.

Quale fiamma si usa in assorbimento atomico?

La piu’ comune e’ aria-acetilene, intorno ai 2300 °C, adatta alla maggior parte dei metalli. Per gli elementi che formano ossidi refrattari difficili da dissociare, come alluminio o titanio, si usa la fiamma piu’ calda protossido d’azoto-acetilene, oltre i 2900 °C. La temperatura deve liberare gli atomi senza eccitarli o ionizzarli eccessivamente.

Come si applica la legge di Beer agli atomi?

L’assorbanza degli atomi liberi e’ proporzionale al loro numero lungo il cammino ottico, e quindi alla concentrazione dell’analita in soluzione. Costruendo una retta di taratura con standard a concentrazione nota si risale alla concentrazione del campione. La linearita’ vale nell’intervallo utile; a concentrazioni alte la retta tende a curvare.