14.9 : Atomemissionsspektroskopie: Übersicht

Die Atomemissionsspektroskopie (AES) ist ein Analyseverfahren zur Bestimmung der Elementzusammensetzung einer Probe durch Analyse des von angeregten Atomen emittierten Lichts. Bei der AES werden Atome in einer Probe durch thermische Energie aus Hochtemperaturquellen wie Plasma, Lichtbögen oder Funken auf höhere Energieniveaus angeregt. Wenn diese angeregten Atome in niedrigere Energiezustände zurückkehren, emittieren sie Licht mit spezifischen Wellenlängen, die für jedes Element charakteristisch sind. Das resultierende Atomemissionsspektrum, das aus diskreten Linien besteht, die diesen Wellenlängen entsprechen, ermöglicht die Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Elemente in der Probe.

AES-Instrumente haben Ähnlichkeiten mit Atomabsorptionsspektrometern, weisen jedoch spezifische Anpassungen für die Emissionserkennung auf. Hochtemperaturquellen, insbesondere induktiv gekoppeltes Plasma (ICP), sind bei der AES von entscheidender Bedeutung, da sie ausreichend Energie liefern, um die Atome in ihre Emissionszustände anzuregen. Andere Plasmaquellen sind das mikrowelleninduzierte Plasma (MIP) und das Gleichstromplasma (DCP). Die am häufigsten verwendete Quelle, ICP, erreicht Temperaturen von bis zu 10.000 K und schafft so eine stabile Umgebung für eine gleichmäßige Anregung und Emission. ICP-AES, auch bekannt als ICP-OES (optische Emissionsspektrometrie), ermöglicht die Analyse mehrerer Elemente, indem mehrere Detektoren in einer halbkreisförmigen Anordnung um die Emissionsquelle herum positioniert werden, um gleichzeitige Messwerte über einen Bereich von Wellenlängen hinweg zu erfassen.

Die AES bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Atomabsorptionsmethoden wie Flammen- und elektrothermischen Techniken. Aufgrund der Hochtemperaturquellen, die komplexe Moleküle dissoziieren, ist die AES weniger anfällig für chemische Interferenzen und ermöglicht sauberere Spektralmessungen. Die Technik ermöglicht die gleichzeitige Analyse mehrerer Elemente, was die analytische Effizienz deutlich verbessert. Darüber hinaus deckt die AES einen größeren Konzentrationsbereich ab und ist daher für verschiedene Probentypen geeignet.

Trotz dieser Vorteile hat die AES auch Einschränkungen. Die komplexen Spektren, die von Hochtemperaturquellen erzeugt werden, erhöhen die Wahrscheinlichkeit spektraler Interferenzen und erschweren die quantitative Analyse. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, benötigen AES-Instrumente hochauflösende optische Systeme, die oft teurer sind als die in der Atomabsorptionsspektrometrie verwendeten. Während die AES für die Analyse mehrerer Elemente leistungsstark ist, bleiben Atomabsorptionstechniken aufgrund ihrer Einfachheit, Kosteneffizienz und Präzision für die Analyse einzelner Elemente wertvoll.

Die AES wird häufig in der Umweltüberwachung, der Materialwissenschaft und in klinischen Laboren zur Analyse von Metallen, Spurenelementen und anderen anorganischen Substanzen eingesetzt. Aufgrund ihrer Fähigkeit, schnelle Analysen mehrerer Elemente durchzuführen, ist die AES besonders nützlich für die Untersuchung von Boden-, Wasser- und biologischen Proben. Die hohe Empfindlichkeit und der breite Elementbereich von AES-Instrumenten ermöglichen genaue Messungen sowohl bei Spuren- als auch bei signifikanten Konzentrationen und machen es zu einem vielseitigen Werkzeug für die Elementanalyse in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen.

Bei AES beruht die quantitative Analyse auf der Messung der Intensität des emittierten Lichts, die proportional zur Population angeregter Atome ist. Laut der Boltzmann-Verteilung hängt diese Population angeregter Zustände von der Temperatur der Anregungsquelle ab, wobei höhere Temperaturen zu stärkeren Emissionen führen. Kalibrierungskurven, die oft über mehrere Größenordnungen linear sind, werden durch die Analyse bekannter Standards erstellt, um Emissionsintensitäten mit Elementkonzentrationen zu korrelieren. Standardisierungstechniken sind von entscheidender Bedeutung, um Abweichungen in der Anregungseffizienz und anderen instrumentellen Faktoren zu kontrollieren und eine genaue Quantifizierung von Elementen in unterschiedlichen Proben zu ermöglichen.