14.9 : Espectroscopia de emisión atómica: descripción general

La espectroscopia de emisión atómica (AES) es una técnica analítica que se utiliza para determinar la composición elemental de una muestra mediante el análisis de la luz emitida por átomos excitados. En la AES, los átomos de una muestra se excitan a niveles de energía más altos mediante energía térmica de fuentes de alta temperatura, como plasma, arcos o chispas. Cuando estos átomos excitados regresan a estados de energía más bajos, emiten luz en longitudes de onda específicas características de cada elemento. El espectro de emisión atómica resultante, que consta de líneas discretas que corresponden a estas longitudes de onda, permite identificar y cuantificar varios elementos dentro de la muestra.

La instrumentación AES comparte similitudes con los espectrómetros de absorción atómica, pero con adaptaciones específicas para la detección de emisiones. Las fuentes de alta temperatura, en particular el plasma acoplado inductivamente (ICP), son esenciales en la AES, ya que alcanzan la energía suficiente para excitar los átomos a sus estados de emisión. Otras fuentes de plasma incluyen el plasma inducido por microondas (MIP) y el plasma de corriente continua (DCP). La fuente más utilizada, la ICP, alcanza temperaturas de hasta 10 000 K, lo que crea un entorno estable para una excitación y emisión constantes. La ICP-AES, también conocida como ICP-OES (espectrometría de emisión óptica), permite el análisis de múltiples elementos al colocar múltiples detectores en una matriz semicircular alrededor de la fuente de emisión para capturar lecturas simultáneas en un rango de longitudes de onda.

La AES ofrece varias ventajas sobre los métodos de absorción atómica tradicionales, como las técnicas de llama y electrotérmicas. Debido a las fuentes de alta temperatura que disocian moléculas complejas, la AES es menos susceptible a las interferencias químicas, lo que permite lecturas espectrales más limpias. La técnica permite el análisis simultáneo de múltiples elementos, lo que mejora significativamente la eficiencia analítica. Además, la AES cubre un rango de concentración más amplio, lo que la hace adecuada para diversos tipos de muestras.

A pesar de estas ventajas, la AES tiene limitaciones. Los espectros complejos producidos por fuentes de alta temperatura aumentan la probabilidad de interferencias espectrales, lo que complica el análisis cuantitativo. Para abordar estos desafíos, los instrumentos AES requieren sistemas ópticos de alta resolución, a menudo más costosos que los utilizados en la espectrometría de absorción atómica. Además, si bien la AES es potente para el análisis de múltiples elementos, las técnicas de absorción atómica siguen siendo valiosas para el análisis de un solo elemento debido a su simplicidad, rentabilidad y precisión.

La AES se utiliza ampliamente en el monitoreo ambiental, la ciencia de los materiales y los laboratorios clínicos para analizar metales, oligoelementos y otras sustancias inorgánicas. Su capacidad para realizar análisis rápidos de múltiples elementos hace que la AES sea particularmente útil para analizar muestras de suelo, agua y biológicas. La alta sensibilidad y el amplio rango elemental de los instrumentos AES permiten mediciones precisas tanto en concentraciones traza como significativas, lo que lo convierte en una herramienta versátil para el análisis elemental en varios campos científicos.

En AES, el análisis cuantitativo se basa en la medición de la intensidad de la luz emitida, que es proporcional a la población de átomos excitados. Según la distribución de Boltzmann, esta población de estado excitado depende de la temperatura de la fuente de excitación, y las temperaturas más altas producen mayores emisiones. Las curvas de calibración, a menudo lineales en varios órdenes de magnitud, se crean analizando estándares conocidos para correlacionar las intensidades de emisión con las concentraciones elementales. Las técnicas de estandarización son cruciales para controlar las variaciones en la eficiencia de excitación y otros factores instrumentales, lo que permite una cuantificación precisa de elementos en diversas muestras.