Atoomabsorptiespectroscopie (AAS) is een elementspecifieke analysetechniek voor de kwantificering van metalen en metalloïden in oplossingen. Het principe berust op de absorptie van elementspecifiek licht door vrije atomen in een gasvormige toestand. AAS is de meest toegepaste methode voor de bepaling van zware metalen in water, voedingsmiddelen, biologisch materiaal en industriële monsters, met detectiegrenzen in het microgram-per-liter bereik (vlam-AAS) tot nanogram-per-liter bereik (grafietoven-AAS).
De techniek werd in 1955 ontwikkeld door de Australische scheikundige Alan Walsh van het CSIRO, die als eerste aantoonde dat atoomabsorptie bruikbaar is als kwantitatieve analysetechniek voor metalen. Walsh legde daarmee de grondslag voor wat uitgroeide tot een van de meest toegepaste elementanalysetechnieken in analytische laboratoria wereldwijd.
Een holle-kathode-lamp (HCL) zendt licht uit op de elementspecifieke resonantiegolflengte van het te bepalen element. Het monster wordt geatomiseerd — omgezet in vrije atomen in de gasfase — in een vlam of grafietoven. De vrije atomen absorberen het licht van de HCL; de mate van absorptie is evenredig met de concentratie van het element in het monster (Beer-Lambert wet). Een monochromator isoleert de resonantielijn en een detector meet de resterende lichtintensiteit.
AAS behoort tot de atomaire spectroscopie: de tak van de analytische scheikunde die individuele atomen in de gasfase analyseert op basis van hun interactie met elektromagnetische straling. Atomaire spectroscopie omvat drie hoofdprincipes: absorptie (AAS), emissie (OES/AES) en fluorescentie (AFS). In tegenstelling tot moleculaire spectroscopie (UV-VIS, FTIR), die moleculen als geheel analyseert via elektronische of vibrationele overgangen in chemische bindingen, exploiteert atomaire spectroscopie de scherpe, elementspecifieke overgangslijnen van vrije atomen — wat de hoge selectiviteit voor individuele elementen verklaart. Binnen de atomaire spectroscopie zijn drie basisprincipes te onderscheiden:
Het fundamentele verschil tussen AAS en UV-VIS is dan ook: AAS meet de absorptie van vrije atomen in de gasfase op één scherpe resonantielijn en is daarmee elementspecifiek; UV-VIS meet de absorptie van moleculen of ionen in oplossing over een breed golflengtebereik en geeft informatie over moleculaire structuur of de concentratie van gekleurde verbindingen. AAS vereist atomisatie (verbranden of verhitten van het monster); UV-VIS niet.
OES wordt in de praktijk gecombineerd met een inductief gekoppeld plasma (ICP-OES): het plasma exciteert atomen tot hoge energieniveaus, waarna de uitgezonden lichtlijnen simultaan voor tientallen elementen worden gemeten. Het verschil met AAS is dat ICP-OES een emissiespectrum meet (geen externe lamp nodig) en alle elementen tegelijk kan bepalen, terwijl AAS per element één lamp en één meting vereist. De eenvoudigste variant van atomaire emissiespectrometrie — waarbij een vlam als excitatiebron dient voor alkalimetalen als natrium en kalium — staat beschreven in het kennisbankartikel over atomaire emissie en vlamfotometrie. Zie ook het kennisbankartikel over ICP-MS en ICP-OES.
Het Grotriaans diagram is een schematische weergave van de energieniveaus van een element en de overgangen tussen die niveaus die gepaard gaan met absorptie of emissie van licht op specifieke golflengten. In het diagram staan de elektronische energieniveaus van een atoom als horizontale lijnen uitgezet; verticale pijlen geven de mogelijke overgangen weer. Bij AAS is de meest relevante overgang de resonantie-overgang: de absorptie van een foton met precies de energie die overeenkomt met het verschil tussen de grondtoestand en de eerste aangeslagen toestand van het element. Deze overgang bepaalt de resonantiegolflengte waarop de holle-kathode-lamp straalt en waarop het atoom in de atomisator absorbeert. Elk element heeft een uniek patroon van energieniveaus en daarmee een uniek Grotriaans diagram, wat de elementspecificiteit van AAS verklaart. Voor de meeste routine-AAS-toepassingen wordt de sterkste resonantielijn gebruikt; bij hoge concentraties of spectrale interferenties kan worden uitgeweken naar een secundaire lijn met een hogere overgangsenergie en lagere gevoeligheid.
Het monster wordt via een vernevelaar als fijne aerosol in een lucht-acetyleen of lachgas-acetyleen vlam gebracht. In de vlam (temperatuur 2100–2800 °C) worden de metaalzouten geatomiseerd tot vrije atomen. Vlam-AAS is snel (meting in seconden), robuust en geschikt voor hogere concentraties (mg/l-bereik). De lucht-acetyleen-vlam is geschikt voor de meeste metalen; lachgas-acetyleen is noodzakelijk voor refractaire elementen (Al, Ba, V, Ti) die in een koelere vlam niet volledig atomiseren.
Een kleine hoeveelheid monster (5–50 µl) wordt in een grafietbuis gebracht en via een temperatuurprogramma gedroogd, verast en geatomiseerd (tot 2700 °C). De grafietoven geeft detectiegrenzen 100–1000 keer lager dan vlam-AAS (µg/l tot ng/l bereik) en is geschikt voor kleine monstervolumes en complexe matrices. Matrixmodifiers (bijv. palladiumnitraat, magnesiumnitraat) worden toegevoegd om interferenties te onderdrukken en de atomisatietemperatuur te stabiliseren.
Elementen die vluchtige hydriden vormen (As, Se, Sb, Bi, Te, Sn, Ge, Pb) worden omgezet met natriumborhydride tot hun vluchtige hydride (bijv. AsH₃, SeH₂) en als gas in een gekwartste cel of vlam gebracht. Dit verhoogt de gevoeligheid en selectiviteit aanzienlijk en vermijdt matrixinterferenties. Arsenicum-speciatie (As(III) vs. As(V)) is mogelijk via selectieve reductie.
Kwik (Hg) heeft een hoge dampdruk bij kamertemperatuur. Na reductie met tin(II)chloride of natriumborhydride wordt het kwikdamp via een gesloten cel door het instrument gepompt. CV-AAS is de standaardmethode voor kwikbepaling in water (norm: drinkwater < 1 µg/l), vis en sediment, met detectiegrenzen tot 0,01 µg/l.
AAS kent drie typen interferenties:
AAS is de referentiemethode voor metaalanalyse in drinkwater conform ISO 15586 (GFAAS) en ISO 11885 (ICP-OES). Lood, cadmium, arseen, kwik, chroom en koper in drinkwater worden bewaakt conform EU-richtlijn 2020/2184. Voor wateranalyse waarbij ICP-emissiemeting de voorkeursmethode is — drinkwater, oppervlaktewater en speciatie-analyse — zie het kennisbankartikel over ICP-emissiemeting voor wateranalyse. Voor de bredere praktijk van zware metalenanalyse in water — elementen per matrix, bemonsteringsintegriteit en de keuze tussen ICP-MS, ICP-OES, GF-AAS en CV-AAS — is er een apart kennisbankartikel. Vlam-AAS is geschikt voor Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu; grafietoven-AAS voor Pb, Cd, As, Se, Cr op sporniveau.
Zware metalen in voedingsmiddelen (EC-verordening 1881/2006) worden bepaald via GFAAS of ICP-MS. Kaliumbepaling in voedingsmiddelen, natrium en calcium in zuivel, en ijzer- en zinkbepaling in verrijkte voedingsmiddelen worden via vlam-AAS uitgevoerd.
Lood in bloed (biomonitoringsnorm < 50 µg/l voor kinderen), serumelektrolyten (Na, K, Ca, Mg), kwik in urine en arsenicum in haar zijn typische klinische toepassingen. De grafietoven biedt de nodige gevoeligheid voor biologisch materiaal in kleine volumes.
Resterende katalysatormetalen (Pd, Pt, Rh, Ir) in API’s worden bepaald conform ICH Q3D (elementaire onzuiverheden). AAS is geschikt voor individuele elementbepalingen; ICP-MS biedt hogere doorvoer bij multi-elementanalyse.
AAS is in de forensische wetenschap een gevestigde analysetechniek voor elementbepaling in sporenmateriaal. De belangrijkste forensische toepassingen zijn:
AAS is een beproefde en breed toegepaste techniek, maar kent specifieke beperkingen die de keuze voor ICP-OES of ICP-MS kunnen rechtvaardigen. Een overzicht:
De vuistregel: AAS is de kosteneffectieve keuze voor laboratoria die routinematig een beperkt aantal elementen bepalen in series van monsters met een vergelijkbare matrix. Zodra meer dan vijf elementen per monster bepaald moeten worden, of wanneer de monstermatrix sterk varieert, biedt ICP-OES of ICP-MS een hogere totale efficiëntie ondanks de hogere instrumentinvestering.
Voor multi-elementanalyse met hogere doorvoer is ICP-MS/ICP-OES de voorkeursmethode. Voor de routinebepaling van natrium, kalium en calcium via atomaire emissie — zonder externe lichtbron en met een eenvoudigere instrumentopstelling — is vlamfotometrie de aangewezen methode. Voor moleculaire identificatie en structuuranalyse zijn FTIR-spectroscopie en NMR-spectroscopie de aangewezen technieken. UV/Vis wordt ingezet voor niet-elementspecifieke absorptiemetingen; zie UV/Vis-spectrofotometrie.
Voor de analyse van vaste monsters zonder destructie is XRF (röntgenfluorescentiespectrometrie) een complementaire techniek: XRF bepaalt elementsamenstelling direct op het vaste monster en vereist geen oplossing, maar biedt hogere detectiegrenzen dan GF-AAS. AAS en XRF worden vaak gecombineerd: XRF voor snelle screening van vaste monsters, AAS voor nauwkeurige kwantificering van specifieke elementen in oplossing.
Voor morfologische karakterisering van vaste deeltjes en gelijktijdige elementanalyse van oppervlakken is SEM-EDX (elektronenmicroscopie) de complementaire methode naast AAS, met name in forensisch onderzoek naar schotresidu.
Atoomabsorptiespectroscopie (AAS) is een methode om te meten hoeveel van een bepaald metaal er in een vloeistof zit. Het principe is eenvoudig: elk metaal absorbeert licht op een heel specifieke kleur (golflengte). Een AAS-instrument schijnt licht van precies die kleur door een verhitte gaswolk van het monster. Hoe meer metaalatomen er in die gaswolk zitten, hoe meer licht er wordt geabsorbeerd en hoe minder licht er aan de andere kant aankomt. Door te meten hoeveel licht er doorkomt, berekent het instrument de concentratie van het metaal. Concreet: het monster wordt vernevelt in een vlam of verhit in een kleine grafietbuis totdat de metaalverbindingen uiteenvallen in losse atomen. Een lampje — de holle-kathode-lamp — stuurt licht door die atomenwolk. Een detector meet wat er overblijft. Zo kan AAS metalen als lood, kwik, arseen of koper bepalen tot op een miljoenste of zelfs een miljardste gram per liter.
Atoomabsorptiespectroscopie wordt in de praktijk aangeduid met de afkorting AAS, die in alle talen gangbaar is. Afhankelijk van de toegepaste atomisatietechniek worden meer specifieke benamingen gebruikt: vlam-AAS of FAAS (Flame Atomic Absorption Spectrometry) voor de vlamvariant, grafietoven-AAS, GFAAS of ET-AAS (Electrothermal Atomic Absorption Spectrometry) voor de grafietovenvariant, HG-AAS (Hydride Generation AAS) voor hydridegeneratie en CV-AAS (Cold Vapour AAS) voor de kwikbepaling via koudedamp. In oudere literatuur wordt de techniek ook aangeduid als atomaire absorptiespectrometrie of atoomabsorptieanalyse. De internationale standaardterm in Engelstalige literatuur en normbladen is Atomic Absorption Spectrometry (AAS) of Atomic Absorption Spectrophotometry (AAsp); het onderscheid tussen spectrometrie en spectroscopie is in de praktijk verwaarloosbaar voor deze techniek.
De holle-kathode-lamp zendt licht uit op de exacte resonantiegolflengten van het element waarvan de kathode is gemaakt. Alleen dit element absorbeert dit licht in de atomisator, wat de hoge selectiviteit van AAS verklaart. Multi-elementlampen (bijv. Ca/Mg of Cu/Zn) bestaan, maar geven een lagere lichtstroom per element dan enkelelementlampen.
Na de monochromator wordt het resterende licht opgevangen door een detector die de lichtintensiteit omzet in een elektrisch signaal. In de meeste AAS-instrumenten is dit een fotomultiplicatorbuis (PMT): een vacuümbuis waarin een foton via een fotonkatode elektronen uitslaat die via een reeks dynodes worden versterkt tot een meetbaar stroomsignaal. PMT's bieden een hoge gevoeligheid en een breed dynamisch bereik, en zijn goed afgestemd op het UV- en zichtbaarlichtsgebied dat AAS gebruikt (190–900 nm). Modernere instrumenten maken gebruik van halfgeleidersdetectoren zoals CCD- of CMOS-arrays, die het volledige spectrum gelijktijdig registreren; dit is met name relevant bij multi-element of continuum-source AAS (CS-AAS) waar een breedband-lichtbron in combinatie met een hoogresolutie echelle-monochromator wordt toegepast. In alle gevallen vergelijkt de meetelektronica het signaal bij de resonantiegolflengte met en zonder monster, waaruit via de Beer-Lambert wet de absorptie en daarmee de concentratie wordt berekend.
Een holle-kathode-lamp (HCL) bestaat uit een glazen buis gevuld met een edelgas onder lage druk (argon of neon, typisch 1–5 torr) en twee elektroden: een cilindrische holle kathode van het te bepalen element, en een anode. Wanneer er een spanning over de elektroden wordt gezet, worden edelgasionen versneld naar de kathode en slaan zij atomen van het kathodemateriaal los via sputtering. Deze vrije metaalatomen worden in de gasfase geëxciteerd door botsingen met de edelgasionen en zenden bij terugval naar de grondtoestand licht uit op de elementspecifieke resonantiegolflengten. Dit zijn dezelfde golflengten waarop de vrije atomen in de atomisator absorberen — wat de hoge selectiviteit van AAS verklaart. De lamp wordt gepulseerd om het signaal te onderscheiden van achtergrondstraling in de atomisator. Voor elk element is een aparte HCL vereist omdat de kathode uit dat specifieke element moet bestaan; multi-elementlampen voor combinaties zoals Ca/Mg of Cu/Zn zijn beschikbaar maar geven een lagere lichtstroom per element.
Kies grafietoven-AAS wanneer de concentratie van het te bepalen element onder de detectiegrens van vlam-AAS valt (typisch < 0,1 mg/l), wanneer het monstervolume beperkt is (< 0,5 ml), of wanneer directe analyse van complexe matrices (bloed, urine, slib) zonder volledige destructie gewenst is. Vlam-AAS heeft de voorkeur voor routineanalyse van hogere concentraties vanwege eenvoud en snelheid.
AAS is geschikt voor metalen en metalloïden die in atomaire damp kunnen worden omgezet, waaronder de alkali- en aardalkalimetalen (Na, K, Ca, Mg), overgangsmetalen (Fe, Cu, Zn, Mn, Ni, Co, Cr), zware metalen (Pb, Cd, Hg) en metalloïden zoals arseen, antimoon en selenium via hydride-generatie. Niet-metalen zoals koolstof, stikstof, zuurstof, fosfor, zwavel en de halogenen zijn met AAS niet te bepalen, omdat deze elementen geen geschikte atomaire absorptielijnen in het toegankelijke golflengtegebied geven of niet op de gebruikelijke wijze atomiseren. Voor de bepaling van dergelijke niet-metalen wordt teruggevallen op andere technieken, zoals elementaire analyse of chromatografische methoden.
AAS is een destructieve techniek: het monster wordt geatomiseerd in een vlam of grafietoven en is na de meting niet meer beschikbaar voor verder onderzoek. Vaste monsters moeten bovendien vooraf in oplossing worden gebracht, doorgaans via zuurdestructie of microwave-destructie. Dit in tegenstelling tot XRF, dat elementsamenstelling rechtstreeks op het vaste monster meet zonder destructie en het monster intact laat, zie de toelichting bij XRF hierboven.
De mate van monstervoorbereiding hangt af van de matrix. Vloeistoffen zoals drinkwater of urine kunnen vaak direct of na eenvoudige verdunning en aanzuren worden gemeten. Vaste monsters — bodem, voedingsmiddelen, weefsel — vereisen volledige destructie, doorgaans met salpeterzuur (eventueel met waterstofperoxide of zoutzuur) in een microwave-destructiesysteem, om organische matrix af te breken en metalen volledig in oplossing te brengen. Onvolledige destructie leidt tot lagere herstelpercentages en is een veelvoorkomende foutbron bij AAS-analyse.
AAS en FTIR meten fundamenteel andere zaken: AAS bepaalt de concentratie van afzonderlijke metaalatomen op basis van absorptie van licht op een elementspecifieke resonantielijn, terwijl FTIR moleculaire bindingen identificeert op basis van absorptie van infrarood licht door trillingen in chemische bindingen. AAS vereist atomisatie van het monster in een vlam of grafietoven en levert geen structuurinformatie; FTIR werkt op vaste stoffen, vloeistoffen of gassen zonder destructie en levert een spectrum dat de moleculaire samenstelling en functionele groepen identificeert. De technieken zijn complementair: AAS voor elementaire (metaal)analyse, FTIR voor identificatie van organische verbindingen en moleculaire structuren. Zie voor meer details het kennisbankartikel over FTIR-spectroscopie.
Het kernverschil zit in het meetprincipe: AAS meet de hoeveelheid licht die vrije atomen absorberen vanuit een externe holle-kathode-lamp, terwijl OES (optische emissiespectrometrie) de lichtintensiteit meet die geëxciteerde atomen zelf uitzenden bij terugval naar een lagere energietoestand, zonder dat daarvoor een externe lamp nodig is. AAS bepaalt per meting één element met een specifieke lamp; OES — meestal uitgevoerd als ICP-OES — exciteert alle elementen tegelijk in een plasma en meet de uitgezonden lijnen simultaan, waardoor multi-elementanalyse in één meetcyclus mogelijk is. AAS is daardoor voordeliger en eenvoudiger voor de bepaling van een beperkt aantal elementen, terwijl OES efficiënter is bij bredere elementprofielen.
Voor een aantal elementen biedt ICP-OES een lagere detectiegrens dan vlam-AAS, om drie samenhangende redenen. Ten eerste is de excitatie-energie in het ICP-plasma (temperatuur 6000–10 000 K) veel hoger dan in een acetyleenvlam (2100–2800 °C), waardoor ook elementen met hoge excitatie-energie efficiënt worden geëxciteerd en sterke emissielijnen geven. Ten tweede meet OES de emissie van geëxciteerde atomen, waarbij voor sommige elementen meerdere gevoelige emissielijnen beschikbaar zijn die simultaan kunnen worden gemeten; AAS meet absorptie op één resonantielijn per element per meting. Ten derde introduceert de holle-kathode-lamp bij AAS een inherente lampfluctuatieruis die de detectiegrens begrenst; OES heeft geen externe lichtbron en mist daarmee deze ruisbijdrage. Daar staat tegenover dat AAS voor elementen zoals lood, cadmium en kwik via grafietoven of koudedamptechniek detectiegrenzen haalt die vergelijkbaar zijn met of beter zijn dan ICP-OES, bij een fractie van de instrumentkosten. De keuze tussen AAS en ICP-OES hangt dan ook niet alleen af van gevoeligheid maar ook van het aantal te bepalen elementen, de matrix en de beschikbare middelen.
Bij Labvakhandel vindt u spectrometers, maatkolven voor standaardoplossingen en chemicaliën.
Onderdeel van: Milieulab
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
