Apesar da espectrometria de absorção atômica com fonte de linhas ter alcançado o reconhecimento como técnica conceituada para análise elementar, a ideia do uso de uma fonte contínua de radiação nunca foi esquecida. Assim, vários esforços foram feitos por parte de muitos grupos de pesquisa para o desenvolvimento de equipamentos com fontes contínuas (FASSEL et al., 1966; FERNANDO; CALLOWAY; JONES, 1992; BECKER-ROSS et al., 1996; SCHUETZ et al., 2000). Os principais objetivos a serem alcançados eram suprir as limitações inerentes a baixa intensidade das fontes contínuas abaixo de 280 nm e sobretudo quando associadas aos monocromadores de média resolução (WELZ et al., 2003).
Em virtude das limitações dos equipamentos constituídos de fonte de linhas, muitos grupos de pesquisa direcionaram seus trabalhos visando o desenvolvimento da parte instrumental (WELZ et al., 2003). Em 1974, Keliher e Wohlers utilizaram pela primeira vez uma grade Echelle de alta resolução em um espectrômetro constituído de uma lâmpada de xenônio de 150 W como fonte contínua de radiação. Entretanto, a fonte contínua empregada apresentava baixa energia em comprimentos de onda abaixo de 320 nm, dificultando a determinação de muitos elementos que apresentam suas linhas mais sensíveis nesta região (KELIHER; WOHLER, 1974).
Durante cerca de duas décadas os estudos estiveram focados no desenvolvimento instrumental ou na adaptação de equipamentos já disponíveis para suprir as limitações instrumentais existentes e permitir o uso de fontes contínuas. Partindo deste princípio, Becker- Ross desenvolveu em 1996, um protótipo de um espectrômetro de fonte contínua e alta resolução (BECKER-ROSS et al., 1996). O equipamento era adaptado de um espectrômetro Perkin-Elmer modelo 4100 ZL (com atomização em chama ou forno de grafite), onde toda a
parte ótica foi substituída por um monocromador duplo Echelle, com resolução de λ/Δλ =
110.000 e uma lâmpada de arco curto de xenônio com potência nominal de 300 W como fonte de radiação. O arranjo permitia ainda que fossem acoplados geradores de campo magnético, para correção de fundo por efeito Zeeman quando utilizada a atomização eletrotérmica. Este primeiro protótipo foi o marco inicial para o desenvolvimento da espectrometria de absorção atômica de fonte contínua com alta resolução (HR-CS AAS).
A configuração dos atuais espectrômetros de absorção atômica de fonte contínua com alta resolução está ilustrado na Figura 2.
Figura 2 - Representação esquemática do equipamento de absorção atômica de fonte contínua com alta resolução (HR-CS AAS). (1) lâmpada de arco curto de xenônio, (2) espelhos elipsoidais, (3 ou 4) atomizador (chama ou forno de grafite), (5) fenda de entrada do monocromador, (6) espelhos parabólicos, (7) prisma Littrow, (8) espelhos de deflexão e fenda intermediária variável, (9) rede Echelle, (10) detector CCD.
Fonte: Adaptado de Welz et al., 2005
O princípio da técnica envolve a absorção da radiação eletromagnética (fótons) provenientes de uma fonte contínua de radiação (lâmpada de arco curto de xenônio) por átomos no estado fundamental gasoso produzidos por um sistema de atomização específico (forno de grafite ou chama). A radiação transmitida segue para um monocromador de alta resolução composto por um prisma e uma grade de difração Echelle, chegando em seguida ao detector de carga acoplada (CCD). A grandeza física medida é a absorbância que de acordo com a Lei de Lambert-Beer está relacionada diretamente com a população das espécies absorventes (WELZ; SPERLING, 1999).
A lâmpada de arco curto de xenônio (Figura 3) opera em modo hot-spot onde dois eletrodos de tungstênio distanciados em aproximadamente 1 mm estão dentro de um invólucro em uma atmosfera de xenônio de aproximadamente 17 bar de pressão quando fria. Durante seu funcionamento, com uma potência nominal de cerca de 300 W, a pressão interna lâmpada é aumentada em cerca de três a quatro vezes, gerando um microplasma pontual com diâmetro menor que 0,2 mm e temperaturas próximas de 10.000 K, emitindo radiação em uma faixa de
190 a 900 nm com intensidade superior em até três vezes uma lâmpada de cátodo oco (WELZ et al., 2005; BORGES et al, 2005).
Figura 3 - Lâmpada de arco curto de xenônio utilizada em HR-CS AAS
Fonte: BORGES et al., 2005
O monocromador duplo (DEMOM – Double Echelle Monocromator) é constituído por dois elementos dispersores, um prisma e uma rede de difração Echelle, em arranjo Littrow, com
dispersão da ordem de λ/Δλ = 110.000. O prisma é responsável pela pré-dispersão da radiação
contínua na região espectral de interesse. Posteriormente, a fenda intermediária seleciona uma pequena parte deste espectro onde está a linha analítica, chegando a rede Echelle que é responsável pela alta resolução do espectro (2,0 pm). Os comprimentos de onda são precisamente ajustados pela rotação do prisma e da rede Echelle pelo motor de passos e são estabilizados por uma lâmpada de neônio posicionada em frente a fenda intermediária, que emite várias linhas relativamente estreias e que são usadas como referência para alinhamento. No início de cada medida, a posição do comprimento de onda é verificada e ajustada, de forma que haja sempre uma relação definida entre os pixels e o comprimento de onda evitando assim problemas inerentes a instabilidade do sinal (WELZ et al., 2005).
O detector é composto por um dispositivo de carga acoplada (CCD), que apresenta unidades fotossensíveis (pixels) distribuídas em 512 linhas e 58 colunas, com dimensões individuais de 24 x 24 µm. O conjunto de pixels apresenta resolução variável conforme a faixa espectral selecionada e amplificam individualmente o sinal medido, caracterizando 512 detectores independentes. Contudo, somente 200 pixels são empregados durante a análise, dos quais apenas 1 ou 3 são usados para medida do sinal analítico (BORGES et al., 2005).
Ao chegar ao detector, os fótons incidentes são convertidos em elétrons gerando um espectro em duas dimensões: comprimento de onda por ordem de difração. Durante esse
processo, o movimento de um dos elementos dispersores ou do espelho à velocidade constante permite que cada ordem de difração atinja o detector em tempos distintos gerando informações temporais. O conjunto das informações referentes as dimensões de tempo e região espectral resultam em espectros tridimensionais altamente resolvidos (WELZ et al., 2005).
O espectro obtido em três dimensões possibilita explorar uma maior área espectral o que permite a aplicação de novas estratégias analíticas para determinações elementares (BORGES et al., 2005). Uma vez que a lâmpada de arco curto de xenônio apresenta alta intensidade sobre toda a faixa espectral é possível realizar medidas em comprimentos de onda secundários sem comprometer a relação sinal ruído e a precisão. O conjunto monocromador de alta resolução e o detector CCD permite que a leitura seja realizada em pixels adjacentes à linha principal ou ainda que estes sejam somados, possibilitando diferentes níveis de sensibilidade. De acordo com a necessidade, é possível obter diferentes intervalos lineares para o mesmo elemento, realizando-se apenas uma leitura, já que o reprocessamento do sinal pode ser feito posteriormente a análise (HEITMANN et al., 2007).
O arranjo instrumental permite ainda mudanças de comprimento de onda em um curto espaço de tempo (~1s), o que é vantajoso quando se deseja determinar mais de um elemento utilizando sistemas de atomização com chama no modo sequencial. Esta característica aliada às particularidades dos sistemas de introdução de amostras (nebulizadores) e a capacidade de ajustes das condições ótimas de análise (chama e altura de observação) durante a varredura, possibilitam determinações multielementares sequenciais rápidas bem como o emprego de padronização interna para contornar efeitos de transporte (OLIVEIRA et al, 2010; RAPOSO JÚNIOR et al, 2008). Recentemente, alguns autores tem explorado a possibilidade da determinação sequencial e simultânea com atomização em forno de grafite. No entanto, tais determinações limitam-se aos comprimentos de onda existentes em uma pequena faixa espectral onde a medida do sinal é feita e da concentração dos analitos que se deseja determinar, uma vez que para este propósito são empregadas linhas de diferentes sensibilidades (RESANO et al., 2011; RESANO, FLÓREZ, GARCIA RUIZ, 2013).
As características do arranjo instrumental utilizado HR-CS AAS possibilitaram a determinação de elementos não metálicos, tais como P, S, Cl, Br, I, F e N (BUTCHER, 2013). O problema associado à determinação destes elementos por LS AAS reside no fato da diferença de energia entre os estados fundamentais e o primeiro estado excitado em suas estruturas eletrônicas, de modo que suas linhas de ressonância encontram-se na região do ultra violeta de vácuo, impossibilitando o emprego de espectrômetros convencionais de AAS, exceto o fósforo que pode ser determinado em linhas não ressonantes provenientes de estados meta estáveis
(WELZ; SPERLING, 1999). A determinação de elementos não metálicos por HR-CS AAS envolve a medida de sinais originados por moléculas diatômicas. Embora os espectros moleculares sejam complexos devido a quantidade de transições rotacionais, vibracionais e eletrônicas, algumas moléculas diatômicas produzem espectros com banda vibracional com um grande número de linhas com larguras comparáveis a linhas de absorção atômica. Muitas
moléculas diatômicas apresentam altas energias de dissociação (~500 kJ mol−1), podendo
“resistir” a elevadas temperaturas (2000-3000 °C) e serem empregadas para determinações quantitativas de elementos não metálicos (WELZ et al., 2009).
A HR-CS AAS possui um sistema específico para correção de absorção não específica ou fundo. Diferentemente dos arranjos instrumentais com fontes de linhas, que corrigem tais eventos de maneira sequencial, a medida do fundo em HR-CS AAS ocorre simultaneamente, permitindo a correção eficiente do fundo mesmo quando este varia rapidamente com o tempo. (WELZ et al., 2005).
O sistema de correção de fundo é programado para corrigir automaticamente todos os eventos espectrais contínuos. Antes da medida do sinal analítico, são realizadas sucessivas varreduras de intensidade, no qual um espectro de referência é armazenado. Durante a medida do sinal analítico, a intensidade do sinal obtida é dividida pelo espectro de referência em cada um dos pixels. Este mecanismo possibilita a correção de variações de intensidade nos pixels provocados por eventos contínuos, tais como fenômenos de absorção de banda larga, espalhamento da radiação provocado por partículas vaporizadas durante a etapa de atomização, radiação de corpo negro emitidas pelos sistemas de atomização e ruídos provenientes da lâmpada de arco curto de xenônio melhorando a razão sinal ruído e consequentemente os limites de detecção e a precisão (WELZ et al., 2005).
Os eventos espectrais descontínuos, tais como absorção de linhas de outros elementos concomitantes e absorção molecular provocados por estruturas finas de moléculas diatômicas (fundo estruturado) não são corrigidos automaticamente em HR-CS AAS. Quando eventos espectrais descontínuos não se sobrepõe com a linha do analito, ou seja, não surgem nos pixels utilizados para medida do sinal, não há necessidade de correção. No caso de sinais transientes obtidos por atomização eletrotérmica em forno de grafite o fundo pode ser separado temporalmente do sinal do analito ou eliminado através da otimização do programa de aquecimento. Na circunstância em que há sobreposição espectral, a correção é feita utilizando o algoritmo de correção de fundo por mínimos quadrados (Least Square Background
Correction -LSBC). O princípio desta correção envolve a subtração do espectro da amostra por
Uma vez identificada a espécie responsável pela interferência espectral, um espectro do interferente é então gerado a partir de um padrão que contenha a substância interferente e subtraído do espectro da amostra. O procedimento matemático emprega um ajuste linear do espectro referência para cada um dos espectros da amostra, sendo que no mínimo 20 espectros são gerados por segundo, e o espectro referência é aumentado e diminuído pela multiplicação de um fator de magnificação. As diferenças entre o espectro da amostra e o espectro de referência, bem como seus mínimos quadrados são calculadas pixel a pixel. A soma dos quadrados dos valores será adicionada após o fator de magnificação ter sido variado, para minimizar a soma dos quadrados, ou seja calcular os mínimos quadrados. Caso seja desejado, é possível selecionar pixels específicos onde a correção deve ser efetuada. A aplicação deste procedimento possibilita eliminar ou minimizar sobreposições espectrais originadas por eventos descontínuos, ficando a critério do analista adotar a melhor estratégia de correção (WELZ et al., 2005).
A correção pode ser feita simultaneamente com até três espectros de referência. É possível também utilizar um espectro “misto”, obtido pela leitura de soluções padrão que contenham mais de uma espécie interferente (átomo ou molécula). O espectro de referência pode também ser produzido a partir de uma matriz de composição similar a da amostra, cujo analito esteja ausente ou em níveis não detectáveis (ARAÚJO et al., 2009). Embora grande parte das espécies que causam fundo sejam conhecidas na literatura, o software do equipamento (Aspect CS) oferece um banco de dados que traz informações detalhadas acerca dos possíveis interferentes. No caso de interferências causadas por estruturas rotacionais finas de moléculas diatômicas, o banco de dados possui modelos virtuais com perfil similar aos espectros de moléculas diatômicas presentes na região espectral estudada, sendo possível simular também o perfil de algumas sobreposições o que facilita a identificação do interferente. A HR-CS AAS também possui um sistema opcional de correção de fundo denominado correção de fundo interativa (Interactive Background Correction - IBC). Esta correção está baseada na “filtragem” da intensidade dos espectros. Fundos estruturados mais largos que o perfil do espectro do analito são eliminados o que é muito útil na correção de sobreposições espectrais complexas, principalmente na região do UV. A aplicação deste algoritmo diminui a magnitude do sinal analítico registrado, porém minimiza os efeitos do ruído na região do UV melhorando o perfil da linha base, possibilitando menores limites de detecção.