(Fr.: spectrométrie d’absorption atomique; Du.: Atomabsorptionspektroskopie; Eng.: atomic absorption spectrometry), chemische analysemethode, waarbij het vermogen van atomen elektromagnetische straling te absorberen wordt benut om het gehalte van de afzonderlijke elementen in een monster te bepalen.
Het principe berust op de waarnemingen van Kirchhoff en Bunsen in het midden van de 19de eeuw, dat de chemische bestanddelen van stoffen die in een vlam worden gebracht karakteristieke spectraallijnen uitzenden, die gebruikt kunnen worden om deze elementen te identificeren en kwantitatief te bepalen. Terwijl in de daaropvolgende decennia de atomaire emissiespectrometrie een grote vlucht nam, duurde het tot 1955 voordat de Australiër Walsh een bruikbare atomaire absorptiespectrometer ontwierp. Met de nodige verbeteringen vormt dit ontwerp nog steeds de grondslag van de tientallen verschillende instrumenten die commercieel verkrijgbaar zijn.
Principe.
Een atomaire absorptiespectrometer bestaat uit vier onderdelen: een stralingsbron, een vlam, een monochromator en uitleesapparatuur; afb. 1 toont de opstelling van deze onderdelen.
Als stralingsbron wordt een holle-kathodelamp gebruikt. Door een glazen omhulling, gevuld met neon tot een druk van ca. 1 kPa ( = 103 N m−2), steekt een hol pijpje dat is vervaardigd uit het element dat moet worden bepaald, bijv. koper. Wordt hierop een negatieve elektrische spanning aangebracht van 300 V, dan gaat de kathode gloeien, het koper verdampt enigszins en de lamp zendt de karakteristieke spectraallijnen van koper uit. Wil men na de meting van koper vervolgens chroom bepalen, dan moet de koperlamp verwisseld worden met een lamp met een kathode van chroom; er wordt dus steeds één element tegelijk bepaald.
De straling uit de holle-kathodelamp wordt met een lens gericht op een vlam die tot taak heeft de atomen uit het monster vrij te maken. Omdat vlammen niet heet genoeg zijn om vaste stoffen snel te verdampen, wordt het monster eerst opgelost, waarna de oplossing als een nevel van fijne druppeltjes in de vlam wordt verstoven. Om de opgeloste stoffen volledig in afzonderlijke atomen te splitsen, worden speciale vlammen gebruikt die branden op een mengsel van acetyleen en lucht of van acetyleen en lachgas, waarmee temperaturen worden bereikt van 2500 K, resp. 3000 K.
Na het passeren van de vlam wordt de straling naar een monochromator gevoerd, d.w.z. een optisch instrument, waarmee uit het koperspectrum de meest gevoelige analyselijn wordt geselecteerd. Deze heeft een golflengte van 325 nm en ligt in het ultraviolette deel van het elektromagnetisch spectrum. Met een dergelijke monochromator kunnen golflengten van 190...900 nm worden geselecteerd, zodat ruim zestig elementen bepaald kunnen worden. Straling met nog kleinere golflengte wordt door lucht geabsorbeerd, zodat halogenen, koolstof, zwavel en fosfor niet bepaald kunnen worden.
Tenslotte wordt de straling gemeten en omgezet in een elektrische spanning die in getallen kan worden uitgelezen of op een schrijver kan worden opgetekend. De moderne elektronica maakt vele bewerkingen van het signaal mogelijk, waardoor een grote betrouwbaarheid verkregen kan worden.
Werkwijze.
Indien men zuiver water in de vlam verstuift zal de straling van de holle-kathodelamp onverzwakt worden gemeten; deze intensiteit stelt men gelijk aan 1 (afb.2). Verstuift men vervolgens een oplossing van een koperzout in de vlam, dan zullen de vrijgemaakte koperatomen de spectraallijn met een golflengte van 325 nm gedeeltelijk absorberen, zodat de waargenomen intensiteit I daalt. Volgens de betrekking van Beer is de logaritme van deze verzwakking (de extinctie A) evenredig met de concentratie c van het element koper in de oplossing: A = − log I = kc. Omdat de evenredigheidsconstante k niet bekend is, wordt deze vastgelegd met behulp van referentieoplossingen met een bekende koperconcentratie. Aan de hand van de uitslagen gevonden voor deze referentieoplossingen, wordt volgens het schema in afb. 2 een ijklijn opgesteld. Verstuift men tenslotte de oplossing van het monster, dan kan uit de uitslag daarvan direct het kopergehalte worden afgelezen. Op deze manier kunnen concentraties gemeten worden 0,1...10 mg per liter. Indien het monster eerst moet worden opgelost, komt dit overeen met ca. 0,001...0,1 massaprocent van het element in vaste stoffen. Hogere gehalten kunnen vanzelfsprekend worden bepaald na gepaste verdunning.
Vlamloze atomaire absorptie.
Wil men op de hiervoor beschreven manier verschillende elementen na elkaar bepalen, dan is 100 ml oplossing of 1 g vaste stof nodig. In sommige gevallen zijn dergelijke hoeveelheden niet beschikbaar (bijv. bloed). Tevens valt op te merken dat men speciaal bij de controle van milieuverontreiniging geïnteresseerd is in veel lagere concentraties dan de hiervoor genoemde 0,1 mg per liter. Zo liggen de normen voor kwik, cadmium en lood in drinkwater tien tot honderd keer lager.
Beide moeilijkheden worden opgelost met een techniek die bekend staat als vlamloze atomaire absorptie: hierbij wordt in afb. 1 de vlam vervangen door een hol buisje van grafiet, waaromheen argon stroomt en waarin een klein druppeltje (0,01 ml) van de te meten oplossing wordt gebracht (afb. 3). Het grafietbuisje wordt verwarmd met een regelbare stroombron. Bij matige stroom wordt eerst het water verdampt, terwijl de opgeloste stof achterblijft; vervolgens wordt de elektrische stroom geleidelijk opgevoerd, zodat het buisje gaat gloeien en witheet wordt. Bij een bepaalde temperatuur zal de ingebrachte stof verdampen en de vrijgemaakte atomen zullen net als in een vlam de door het buisje vallende straling kunnen absorberen. Omdat deze atomen eerst worden aangevoerd en vervolgens met het langsstromende argon weer worden afgevoerd, ontstaat een piekvormig absorptiesignaal (afb. 3), waarvan de hoogte een maat is voor de concentratie van het element in de oplossing. De werkwijze, aangegeven in afb. 2, kan dus worden gevolgd voor quantitatieve bepalingen.
Bij deze techniek is slechts een minimale hoeveelheid oplossing nodig. Doordat bovendien de atomen even blijven hangen in de grafietcuvet, wordt sterk aan gevoeligheid gewonnen, zodat concentraties van ca. 0,001 mg per liter gemeten kunnen worden (met een monstervolume van 0,01 ml betekent dat een hoeveelheid van 10−11 gram). Wel is de werkwijze omslachtiger en minder eenvoudig te automatiseren.
Toepassingen.
In korte tijd is de atomaire absorptiespectrometrie uitgegroeid tot een zeer populaire methode voor de bepaling van vele elementen, vooral metalen, in zeer uiteenlopende monsters. Dit ruime toepassingsgebied vloeit voort uit de grote selectiviteit, waardoor een element bepaald kan worden zonder veel hinder te ondervinden van wat er verder nog in het monster aanwezig is. De weinig talrijke storingen kunnen bovendien met eenvoudige hulpmiddelen worden opgeheven. De nauwkeurigheid is bevredigend (1%). Een niet onbelangrijk voordeel is ook dat de apparatuur betrouwbaar is en eenvoudig te bedienen. De belangrijkste beperking wordt gevormd door de eis dat het element in oplossing aanwezig moet zijn. Voor sommige vaste monsters (slib, gesteenten) vergt dat een bewerkelijke en tijdrovende procedure. Atomaire absorptiespectrometrie ontwikkelt zijn grote kracht dan ook voor vloeibare of gemakkelijk oplosbare monsters, zoals bloed, urine, weefsels, gewassen, legeringen en zouten. Vooral de laatste jaren bestaat grote belangstelling voor verontreiniging van diverse soorten water (drinkwater, oppervlaktewater, zeewater, afvalwater). De hiervoor vereiste controles zouden naar aantal en gevoeligheid onmogelijk zijn zonder atomaire absorptiespectrometrie. Tevens zie Atoomspectrometrie.