Атомно-абсорбционная спектроскопия и ее применение в фармацевтическом анализе

Размещено на http://www.allbest.ru/

37

УО «Витебский государственный медицинский университет» кафедра фармацевтической химии с курсом ФПК и ПК

Атомно-абсорбционная спектроскопия и ее применение в фармацевтическом анализе

Зайцев роман Юрьевич

Витебск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Основы метода ААС 4

2. Устройство атомно-абсорбционного спектрометра 7

3. Оптические переходы, используемые в ААС 11

4. Источники первичного излучения 14

5. Источник свободных атомов 18

5.1 Пламенная ААС 18

5.2 Электротермическая ААС 21

6. Оптические диспергирующие системы 25

6.1 Детекторы 25

7. Чувствительность 27

8. Помехи 28

8.1 Химические помехи 28

8.2 Элементный анализ 28

8.3 Спектральные помехи 30

9. Практическое применение 36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 39

ВВЕДЕНИЕ

Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) -- сравнительно молодой аналитический метод. Она впервые была описана Уолшем в 1955 г., однако, уже в настоящее время ААС широко применяется в самых различных отраслях хозяйства, главным образом для количественного определения металлов. Атомно-абсорбционная спектрометрия -- высокочувствительный аналитический метод, основанный на поглощении атомами в основном состоянии излучения, испускаемого первичным источником. Целью аналитического обзора по данной теме является знакомство с методом, изучение его возможностей, а также определение перспектив его дальнейшего применения и совершенствования, в том числе и в фармацевтическом анализе./1/

1. Основы метода ААС

ААС используется для количественного определения соединений металлов. Метод основан на поглощении излучения свободными атомами, обычно в основном состоянии. При выборе длины волны для данного элемента, которая соответствует оптическому переходу атомов из основного состояния в возбужденное, поглощение излучения приводит к уменьшению заселенности основного состояния. Величина поглощения связана с концентрацией атомов в основном состоянии и, следовательно, с концентрацией элемента. Измеряя количество поглощенного излучения, можно провести количественное определение элемента.

Следует отметить, что атомно-абсорбционную спектрометрию используют только для количественного анализа. Количественный анализ в ААС возможен, если поглощение излучения связано с концентрацией определяемого элемента. Когда источник первичного излучения испускает линию с длиной волны, подобной линии элемента, и шириной, меньшей, чем ширина линии элемента, поглощение падающего света можно вычислить. Степень пропускания Т есть отношение интенсивности прошедшего света I к интенсивности падающего света I0 Степень поглощения а определяют как (формула 1):

а = 1-.Т (1)

Исходя из закона Бера, можно записать (формула 2):

а = 1- e k* l (2)

где k-коэффициент поглощения, а l-длина оптического пути поглощения. В случае, когда поглощение имеет место при переходе из основного состояния 0 в возбужденное состояние т, коэффициент k определяется как (формула 3):

(3)

где и -статистические веса возбужденного и основного состояний соответственно,

- "эффективная ширина аналитической линии, т. е. ширина, исправленная на коэффициент.

Заселенность основного состояния практически равна общей заселенности. Оптическую плотность Апогл определяют как (формула 4):

(4)

Значения оптической плотности 0,0044, 0,301, 1 и 2 соответствуют 1%, 50%, 90% и 99% поглощения.

Можно легко вывести, что оптическая плотность равна (формула 5):

(5)

Оптическая плотность пропорциональна концентрации элемента.

Использование логарифма степени пропускания дает возможность получить линейную зависимость от концентрации определяемого элемента. Эта зависимость практически линейна в ограниченном диапазоне концентраций из-за изменения длины поглощающего пути, вариаций ширины линии, распределения атомов в источнике и т. д. Линеаризация может быть получена с помощью программного обеспечения. /1/, /6/, /9/, /4/.

2. Устройство атомно-абсорбционного спектрометра

Атомно-абсорбционный спектрометр состоит из источника первичного излучения, который дает поглощаемое излучение, источника свободных атомов с соответствующей системой вводы пробы, оптической диспергирующей системы, детектора и электроники для сбора, обработки и редактирования данных. Наличие свободных атомов должно быть обеспечено на пути между источником первичного излучения и детектором.

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема атомно-абсорбционного спектрометра

1 -- первичный источник излучения; 2 -- атомизатор; 3 -- проба; 4 ~ горючий газ и окислитель; 5 -- оптическая диспергирующая система; 6 -- детектор; 7--сбор и обработка данных; 8 -- редактирование данных.

Вот как выглядят современные атомно-абсорбционные спектрометры:

Рисунок 2.2 - Исследовательский спектрометр AA 280

Прибор имеет фиксированные гнезда для 8-ми ламп и монохроматор с фокусным расстоянием 33 см, выпускается в вариантах 280FS (Fast Sequential со встроенным блоком управления приставками SIPS) и 280Z (специализированный варант с графитовым атомизатором GTA-120 и источником питания для ультраламп - 4 из 8-ми позиций). Графитовый атомизатор GTA-120 имеет дополнительный газовый канал для независимого регулирования продувки внешней стороны и внутренней части графитовой кюветы, что существенно удлиняет срок службы кювет. Атомизатор может работать в режиме переменного магнитного поля, и оснащен несоосной камерой для визуального наблюдения процессов, проходящих в кювете при сушке, озолении и атомизации проб в режиме on-line.

Сочетание режима FS (быстрый последовательный анализ), большое количества позиций для ламп, в т.ч. и многоэлементных, возможность переключения режимов абсорбции и эмиссии, наличие приставок SIPS и скоростных автосэмплеров SPS-2 и SPS-3, реализация принципов предварительного считывания (preemptive sampling, окончания интегрирования во время перемещения пробоотборника к следующему образцу) и подвижной станции промывки (travelling rinse, размещение камеры с промывающим потоком непосредственно на пробоотборнике) обеспечивают высочайшие параметры производительности прибора, сравнимых, а иногда и превышающих пропускную способность эмиссионных спектромтеров ИСП.



Рисунок 2.3 - Спектрометры AA 50/55

Отличаются невысокой стоимостью, наличием встроенной системы обработки данных с интерфейсами на многих языках, включая русский, широко используются в промышленности и при проведении экологического мониторинга. Это - 2-х ламповые модели со встроенной системой управления/обработки данных, которые также могут управляться с внешнего компьютера с программным обеспечением на базе Windows 95/98.

Для проведения автоматизированного анализа большого количества проб оптимально подходят приборы с внешней системой обработки данных, позволяющие анализировать большие серии проб, а также разводить образцы, делать стандартные добавки в пламени и калибровку из единственного стандартного раствора в полностью автоматическом режиме.

Для лабораторий с большим потоком проб, требующих определения многих элементов,подходит такой вид атомно-абсорбционных спектрометров, позволяющий проводить многоэлементный анализ со скоростью, превышающей скорость анализа на последовательном ИСП-спектрометре. При работе с автосэмплером SPS время на анализ 10 элементов (Na, Ca, Cr, Cu, Mg, Fe, Co, Ni, Pb) в 20 пробах (режим PROMT, считывание 5 сек, заданная точность анализа 2%, время задержки 10 сек) сокращается с 1 часа 36 мин до 46 мин. /8/, /2/, /10/, /7/.



Рисунок 2.4 - Спектрометр для анализа проб, имеющих сложный состав матрицы

3. Оптические переходы, используемые в ААС

атом абсорбционный спектрометрия фармацевтический

Оптические переходы, используемые в ААС, обычно осуществляются между основным состоянием (или состоянием близким к основному) и первым возбужденным уровнем (резонансные уровни). Заселенность различных уровней описывается законом Больцмана, который гласит, что заселенность пропорциональна экспоненте (-Е), где Е -- энергия возбуждения рассматриваемого уровня. Следствием этого является быстрое убывание заселенности при увеличении Е. Другими словами, когда температура источника свободных атомов меньше 5000 К, большинство атомов находится в основном состоянии. /1/.

Даже при высоких температурах из-за экспоненциальной заселенности возбужденных уровней большинство атомов остается в основном состоянии.

Так как поглощение излучения пропорционально числу атомов в основном состоянии, становится понятным, почему ААС является эффективным методом. Кроме того, спектры поглощения намного более просты, чем спектры испускания. В противоположность атомно-эмиссионной спектрометрии вероятность спектральных помех из-за совпадения линий мала.

Так, например, в случае алюминия наиболее часто используют линии Al 309,28 нм, Al 308,22 им, т. е. переход между подуровнями Зр и 3d, а также Al 396,15 нм и Al 394,40 нм, т. е. переход между подуровнями Зр и 4s (рис. 3.1):



Рисунок 3.1 - Наиболее вероятные переходы электронов атомов Al

Атомы, возбужденные при поглощении излучения, вновь испускают эмиссионные линии не только той же длины волны, что и поглощенное излучение, но и других длин волн. Такая излучательная дезактивация носит название атомной флуоресценции. Когда наблюдают ту же длину волны, процесс называют резонансной флуоресценцией. Процесс флуоресценции фактически представляет собой комбинацию процессов поглощения и испускания. Флуоресцентные спектры обычно очень просты и накладываются на более сложные эмиссионные спектры, при этом флуоресцентные линии более интенсивны, чем эквивалентные эмиссионные линии.

Когда используют интенсивный источник первичного излучения (например, лазер), атомно-флуоресцентная спектрометрия (АФС) может быть использована как аналитический метод. В этом случае источник первичного излучения располагают под углом к остальной оптической системе, чтобы детектор получал только флуоресцентный сигнал. Действительно, лазерно-индуцированная атомно-флуоресцентная спектрометрия является, по-видимому, одним из наиболее чувствительных аналитических методов. Однако, лазерно-индуцированная АФС не нашла воплощения в серийных приборах, что связано с трудностями использования лазеров в УФ-области спектра. /1/, /3/, /9/, /6/.

4. Источники первичного излучения

Наиболее часто в качестве источников первичного излучения используют лампы с полым катодом (ЛПК) (рис. 4.1) и безэлектродные разрядные лампы (БРЛ).

Рисунок 4.1 - Устройство лампы с полым катодом

Как это выглядит (рис. 4.2):

Рисунок 4.2 - Лампа с полым катодом

Оба этих источника относятся к числу разрядов низкого давления. Лампа с полым катодом состоит из полого катода, изготовленного из высокочистого металла, спектр которого необходимо получить, с внутренним диаметром 2-5 мм. В некоторых случаях для изготовления многоэлементных ЛПК катод может быть выполнен из нескольких металлов. Однако такие лампы не получили широкого распространения из-за компромиссных условий, которые приводят к потере чувствительности. Катод и анод размещены в стеклянном цилиндре. Высокое напряжение и ток до 30 мА используют для создания разряда, который сосредоточен внутри полого катода. Величина тока представляет компромисс между интенсивностью и уширением линии вследствие самопоглощения. Буферный газ -- Аг или Ne под давлением 1-5 ммJ рт.ст. Неон предпочтительнее для элементов с высоким потенциалом ионизации. В результате процессов распыления и возбуждения атомов ионами буферного газа испускаются узкие интенсивные линии. Для пропускания света используют прозрачное кварцевое окно. ЛПК обычно устанавливают на ручную или автоматическую турель и перед работой прогревают. Для многоэлементных систем ААС используют смеситель лучей, чтобы объединить выходное излучение нескольких ЛПК. Успех метода ААС с очевидностью зависит от наличия ЛПК.

В случае летучих элементов, таких, как As или Se, испускаемая ЛПК энергия может быть довольно мала. Альтернативой является использование БРЛ, состоящих из запаянной кварцевой трубки, которая содержит определяемый элемент или его соль с аргоном в качестве буферного газа.

Устройство безэлектродной разрядной лампы (рис. 4.3):

Рисунок 4.3 - Безэлектродная разрядная лампа

1 -- запаянная трубка; 2 -- кварцевая ячейка; 3 -- газ (Аг или Nе); 4 -- вещество.

Разряд поддерживают с помощью высокочастотного поля через антенну или катушку. ВЧ-энергия служит как для испарения элемента, так и для его возбуждения. Испускание, получаемое из БРЛ, обычно более интенсивно, чем испускание от ЛПК. БРЛ используют, как правило, для определения As или Se, но иногда также для Cd, Hg, Pb, Sb.

В похожих задачах можно использовать другой интенсивный источник первичного излучения -- ЛПК с увеличенным напряжением; при этом в уже имеющуюся схему питания добавляют вторичный высоковольтный разряд, который усиливает возбуждение атомов, вылетающих с катода, и уменьшает самопоглощение. Получаемые интенсивности в 5-15 раз выше, чем для стандартной ЛПК, что приводит к значительному улучшению отношения сигнал/шум.

Чтобы подавить эмиссию элемента, в атомизаторе используют модуляцию пучка, испускаемого источником первичного излучения.

Чтобы отличить свет, испускаемый источником первичного излучения, от света, испускаемого определяемым элементом в атомизаторе, необходимо провести модуляцию источника. Это может быть осуществлено механически с помощью вращающегося прерывателя или электронной модуляцией тока ЛПК с использованием импульсного источника питания. Импульсная модуляция тока является общепринятым способом модуляции в производимых приборах. Для отделения немодулированного постоянного сигнала, испускаемого атомизатором, от модулированного переменного сигнала лампы применяют синхронное детектирование./1/, /7/, /11/, /4/, /10/

Описаны также некоторые другие источники первичного излучения, такие, как диодные лазеры или источники сплошного спектра. Последние представляют собой ксеноновые дуговые лампы высокого давления, испускающие интенсивный непрерывный спектр, т. е. не содержащий линий. Это приводит к большой универсальности в выборе линии первичного излучения. Непрерывные источники использованы в основном для многоэлементной ААС. Диодные лазеры были бы идеальным источником для ААС, поскольку испускают высокоинтенсивные и узкие линии. Однако на сегодня их спектральный диапазон лежит выше 620 нм, что мешает их широкому использованию в ААС. Возможно удвоение частоты, чтобы расширить спектральный диапазон до 310 нм./1/, /8/

5. Источник свободных атомов

Роль атомизатора заключается в том, чтобы перевести пробу в свободные атомы, главным образом в основном состоянии. Свободные атомы должны находиться на оптическом пути между источником первичного излучения и диспергирующей системой так, чтобы длина поглощающего слоя была большой. Идеальный атомизатор должен осуществлять полную атомизацию пробы. Обычно используют атомизаторы двух типов - пламя и электрический атомизатор (печь)./1/

Вот некоторые рекомендации по использованию атомизатора при анализе различных металлов:

Пламенной атомизацией могут быть определены: Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru. Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os. Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb. Bi. Ce, Fr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm Yb, Lu, Th, U.

Электротермической атомизацией могут быть определены: Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Mo, Tc, Ru. Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, La, Re, Os. Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb. Bi. Fr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm Yb, Lu, U.

Для анализа низких концентраций следующих элементов методом атомной абсорбции требуется применение ртуть-гидридной системы: Hg, Ge, As, Bi, Sb, Se, Sn, Te, Pb. /7/.

5.1 Пламенная ААС

В атомно-абсорбционной спектрометрии пламя формируется в горелке с длинной щелью, чтобы увеличить длину поглощающего слоя.

Из всех возможных для горелок предварительного смешения типов пламени наиболее распространены следующие: ацетилен-воздух и ацетилен-оксид азота N2O. Горелка имеет форму щели длиной 5-10 см с целью увеличения толщины поглощающего слоя. При этом образуется ламинарное пламя. Щель конструируют таким образом, чтобы избежать засорения при высокой солевой концентрации раствора. Пламя ацетилен-воздух обычно используют для определения элементов, оксиды которых в пламени нестабильны, таких, как Са, Cr, Fe, Co, Ni, Mg, Mo, Sr и другие. Пламя C2Н2-N2O благодаря его более высокой температуре (> 2600 К) используют для таких элементов, как Al, Si, Та, V, Zr. Однако для пламени C2Н2-N2O необходим тщательный контроль различных потоков во избежание проскока пламени из-за высокой скорости горения. Первоначально зажигают пламя смеси C2Н2-воздух, затем включают поток N2O и заменяют им поток воздуха. Подобная процедура проводится перед гашением пламени. Эти процедуры обычно полностью автоматизированы. Можно также регулировать соотношение горючий газ/окислитель, чтобы получить обогащенное (с избытком горючего) пламя для повышения эффективности атомизации. Обычно высота точки наблюдения также регулируется, чтобы она соответствовала элементу и типу пламени.

Для получения аэрозоля с помощью потока газа-окислителя используют распылитель. Отделение мелких капель осуществляют в распылительной камере, оснащенной лопастями или ударным шариком (т. е. шариком, о который ударяются более крупные капли), где аэрозоль смешивается с горючим газом и, наконец, достигает насадки горелки. Таким образом, реализуется стационарный абсорбционный процесс. Однако время пребывания свободных атомов в поглощающем слое мало. Наряду с низкой эффективностью системы распылитель-горелка и разбавлением свободных атомов газами пламени, это одна из причин относительно невысокой чувствительности пламенной ААС. Расход пробы составляет обычно 3-5 мл/мин. Следует отметить, что применение органических растворителей увеличивает не только эффективность распыления, но и температуру пламени.

Альтернативой распылению водного аэрозоля в пламенной ААС служит введение летучих веществ. Генерацию гидридов наиболее широко используют для таких элементов, как As, Bi, Ge, Pb, Sb, Se и Sn. Гидриды обычно получают, добавляя к подкисленным растворам тетрагидроборат натрия./1/

Таблица 5.1 - Рекомендации по выбору типа пламени для атомизации некоторых элементов при работе на атомно-абсорбционных спектрометрах с пламенным атомизатором

№хим. элем	Элем.	Тип пламени	№ хим. Элем.	Элем	Тип пламени	№ хим. Элем.	Элемент	Тип пламени
3	Li	АВ	34	Se	АВ	63	Eu	АЗА
4	Be	АЗА	37	Rb	АВ	64	Gd	АЗА
5	B	АЗА	38	Sr	АВ	65	Tb	АЗА
11	Na**	АВ	39	Y	АЗА	66	Dy	АЗА
12	Mg	АВ	40	Zr	АЗА	67	Ho	АЗА
13	Al	АЗА	41	Nb	АЗА	68	Er	АЗА
14	Si	АЗА	42	Mo	АЗА	69	Tm	АЗА
19	K**	АВ	44	Ru	АВ	70	Yb	АЗА
20	Ca	АЗА	45	Rh	АВ	71	Lu	АЗА
21	Sc	АЗА	46	Pd	АВ	72	Hf	АЗА
22	Ti	АЗА	47	Ag	АВ	73	Ta	АЗА
23	V	АЗА	48	Cd	АВ	74	W	АЗА
24	Cr (1)	АВ	49	In	АВ	75	Re	АЗА
25	Mn	АВ	50	Sn	АЗА	76	Os	АЗА
26	Fe	АВ	51	Sb	АВ	77	Ir	АВ
27	Co	АВ	52	Te	АВ	78	Pt	АВ
28	Ni (1)	АВ	55	Cs	АВ	79	Au	АВ
29	Cu	АВ	56	Ba	АЗА	80	Hg	АВ
30	Zn	АВ	57	La	АЗА	81	Tl	АВ
31	Ga	АВ	59	Pr	АЗА	82	Pb	АВ
32	Ge	АВ	60	Nd	АЗА	83	Bi	АВ
33	As	АВ	62	Sm	АЗА	90	Th	АЗА
						92	U	АЗА

АВ - ацетилен-воздух

АЗА - ацетилен-закись азота

** - анализ в режиме эмиссии /7/

5.2 Электротермическая ААС

Альтернативой пламени служит электротермический атомизатор (ЭТА). В таком атомизаторе используют электрический нагрев тугоплавкого материала, на который наносят пробу. Таким образом, здесь реализуется нестационарное образование свободных атомов. Одно значительное преимущество ЭТА по сравнению с пламенем заключается в увеличении времени пребывания свободных атомов. Хотя были описаны различные устройства атомизаторов, в промышленно производимых ЭТА используют цилиндрическую трубку, называемую также печью, длина которой составляет 18-28 мм. Характеристики печи включают полную атомизацию пробы, быстрое образование свободных атомов, удерживание атомов, полное удаление пробы после атомизации, малое время нагрева, простоту использования, низкую стоимость.

Материал должен иметь высокую электропроводность, быть тугоплавким и обладать высокой термостойкостью и большим временем жизни. Такие тугоплавкие материалы, как W и Та, представляются подходящими для этой цели, поскольку их температуры плавления превышают 2600° С. Однако они имеют несколько недостатков, например большая яркость при повышенной температуре. Вот почему графитовые печи (ГП) получили широкое распространение. Другим преимуществом является наличие углерода, что позволяет восстанавливать оксиды некоторых определяемых элементов до свободных атомов. В настоящее время наиболее широко используемые печи изготавливают из электрографита, покрытого слоем пиролитического графита, который уменьшает потери за счет диффузии атомов в пористый материал и улучшает процесс атомизации многих элементов. Обычные графитовые печи (с покрытием или без) можно нагревать до 3000°С без какого-либо ухудшения механических свойств. Главным усовершенствованием стало изобретение графитовой платформы, которая состоит из тонкой графитовой пластинки, на которую наносят пробу. Платформа нагревается главным образом за счет излучения от стенок трубки, так что увеличение температуры пробы запаздывает по отношению к температуре стенок и газовой фазы. Следовательно, атомизация пробы протекает после того, как стенка и газовая фаза достигнут температурного плато. При этом достигается увеличение степени диссоциации пробы, особенно для летучих элементов. Более того, происходит уменьшение мешающих влияний./1/

Для эффективной атомизации пробы в графитовой печи (рис 5.2.2) осуществляют несколько последовательных стадий нагрева (рис.5.2.1):

Электротермическая программа состоит из нескольких последовательных стадий нагрева (как правило, трех: высушивание, озоление и атомизация). Первая стадия (высушивание) обеспечивает десольватацию пробы с целью удаления растворителя испарением. Для водных растворов устанавливают температуру несколько выше 100°С. Длительность стадии высушивания связана с количеством пробы (0,5 мкл/с). Вторая стадия -- озоление (пиролиз, обжиг) твердого остатка после первой ступени. Стадия озоления обеспечивает удаление или упрощение органической или неорганической основы и, следовательно, представляет наиболее важную ступень электротермической программы. Основа разлагается термически при умеренной температуре (300-1500°С в зависимости от определяемого элемента). Целью является удалить большую часть основы, сохранив определяемый элемент внутри атомизатора в стабильной форме, так чтобы атомизация протекала с минимальным мешающим влиянием основы. В процессе озоления можно использовать дополнительный газ (как правило, воздух или кислород) или химический модификатор, чтобы добиться наилучшего разложения основы. После завершения озоления, остаток должен состоять только из определяемого элемента в подходящей молекулярной форме и небольшого количества основы в виде неорганических солей, которые термически устойчивы при используемой температуре озоления. Третья стадия -- ступень атомизации, в течение которой происходит диссоциация молекулярных частиц определяемого элемента при высокой температуре (1200-2700° С) и реализуется нестационарное формирование свободных атомов определяемёого элемента. Скорость нагрева должна быть высокой (2000° С/с).

Две первые стадии обычно проводят с током аргона, чтобы избежать какого-либо окисления. Поток аргона останавливают во время атомизации, чтобы увеличить время пребывания атомов в объеме наблюдения и, следовательно, увеличить чувствительность атомно-абсорбционного измерения, выполняемого на этой стадий. Затем происходит период охлаждения. Можно произвести очистку печи, используя большой ток для удаления каких-либо остатков пробы. В некоторых случаях после стадии озоления вводят стадию охлаждения, в основном, чтобы увеличить эффективность атомизации труднолетучих элементов.

Установленные температуры измеряют либо с помощью оптического сенсора либо по затратам энергии, используя электронную систему с обратной связью. И температуру и длительность каждой стадии можно оптимизировать для данных элемента и основы. Хотя существуют «поваренные книги», которые описывают эти параметры для различных основ пробы, оптимизация остается решающей частью методики ААС и требует некоторого опыта. Время пребывания атомов составляет порядка 0,1-1 с, т. е. существенно больше, чем в пламени.

В настоящее время используют два вида нагрева печей: нагрев с концов (продольный нагрев) и нагрев с боков (поперечный нагрев). Нагрев с боков был разработан недавно, чтобы уменьшить температурный градиент, имеющий место между концами и центром трубки в режиме продольного нагрева. Этот температурный градиент является причиной нежелательных эффектов на стадии атомизации, например, явлений рекондепсации и соответствующих эффектов памяти, имеющих место в основном при определении труднолетучих элементов. Трубки с поперечным нагревом короче трубок с продольным нагревом; в случае трубок с боковым нагревом наблюдается уменьшение чувствительности за счет более выраженной потери атомного пара. Для сохранения чувствительности можно использовать концевые крышки. В любом случае общее время цикла составляет порядка 1-3 мин. Расход пробы имеет величину порядка 5-100 мкл на цикл, а время жизни трубки -- 200-1000 циклов в зависимости от приложенной температуры и состава пробы./3/

6. Оптические диспергирующие системы

Большинство производимых систем А АС основаны на одноэлементном определении. Для выбора линий используют, следовательно, монохроматор на основе вращающейся плоской решетки. Недавно были разработаны системы с одновременным многоэлементным определением, использующие полихроматор на основе решетки эшелле 79 штрих/мм с применением дисперсии на скрещенных пучках для получения двумерных спектров./1/

Основным отличием от атомно-эмиссионной спектрометрии является тот факт, что практическое разрешение менее существенно в ААС. Обычно используют короткие фокусные расстояния (0,25-0,5 м), решетки 1200-1800 штрих/мм и ширины щелей 0,2-1 мм. Полезный спектральный диапазон составляет 180-860 нм, а обратная линейная дисперсия - от 0,1 до 2нм/мм./1/, /4/

Для компенсации возможного дрейфа источника первичного излучения используют двулучевую схему.

6.1 Детекторы

В монохроматорах применяются фотоэлектронные умножители, тогда как в полихроматорах на основе решеток эшелле -- новые твердотельные детекторы, которые включают набор фотодиодов. Свыше 60 фотодиодов используются как для первичных, так и для вторичных линий наиболее важных элементов.

Измерение сигнала

В пламенной ААС постоянный сигнал интегрируют в течение нескольких секунд. Атомно-абсорбционная спектрометрия с графитовой печью (ГП-ААС) дает нестационарный сигнал в форме пика. Измерение оптической плотности проводят как по высоте, так и по площади пика. Измерение высоты пика, соответствующее максимальной оптической плотности, приводит, к более высокой чувствительности, но зависит от кинетики атомизации (изменение формы пика для разных основ) и более чувствительно к химическим помехам. Измерение площади пика более толерантно по отношению к влиянию основы, так как измерение учитывает общее число поглощающих атомов и, следовательно, более надежно./1/,/6/

7. Чувствительность

Для оценки чувствительности атомно-абсорбционной спектрометрии с графитовой печью используют характеристическую массу, т. е. концентрацию, соответствующую оптической плотности 0,0044.

Чувствительность есть изменение сигнала для данного изменения концентрации определяемого элемента. В методе ГП-ААС чувствительность определяют как характеристическую массу, т. е. концентрацию, выраженную в пг, которая приводит к оптической плотности А, равной 0,0044, что эквивалентно 1% поглощения. Характеристическую массу используют для проверки работоспособности прибора и сравнения атомно-абсорбционных спектрометров. Характеристическая масса зависит не только от определяемого элемента, но и от способа измерения сигнала (высота или площадь пика). Значения характеристических масс находятся в диапазоне от 0,3 пг (Cd, Mg, Zn) до 2000 пг (Р)./1/

8. Помехи

8.1 Химические помехи

Как пламенная, так и электротермическая ААС могут быть чувствительны к влияниям основы пробы, вызывающим изменение в образовании свободных атомов. В случае пламени ограниченная температура не обеспечивает полной диссоциации и атомизации термически устойчивых соединений в газовой фазе. Хорошо известным примером является влияние фосфата на кальций, что приводит к образованию устойчивых фосфатов кальция./9/

8.2 Элементный анализ

Для уменьшения влияния основы в атомно-абсорбционной спектрометрии с графитовой печью используют химические модификаторы.

При использовании пламени ацетилен-воздух оптическая плотность кальция уменьшается в присутствии фосфата. Поэтому необходимо добавлять буфер, например лантан, который образует термически устойчивое соединение с фосфатом, так что кальций будет высвобождаться с образованием свободных атомов /1/. Альтернативой является использование более горячего пламени, такого, как N2O -- ацетилен/8/. Присутствие легкоионизируемых элементов, таких, как щелочные, смещает равновесие между ионами и нейтральными атомами. Ионизационное влияние можно устранить, добавляя избыток Cs, который дает большое количество электронов, так что присутствие, например, Na в количестве, меньшем, чем Cs, не будет существенно изменять общего числа электронов. Стадия озоления - решающий этап в ГП-ААС; на этой стадии возможны потери летучих веществ. Основной целью использования химических модификаторов в ГП-ААС является увеличение различия в летучести определяемого элемента и основы, чтобы получить, например, менее летучее соединение определяемого элемента (модификатор определяемого элемента) или более летучую основу (модификатор матрицы). Химические модификаторы могут быть использованы также для предотвращения реакций определяемого элемента (или основы) с поверхностью графита. Модификаторы обычно представляют собой растворы неорганических солей, таких, как Рс1(1ЧОз)2, №(N03)2, Mg(NO3)2, NH4NO3, NH4H2PO4 и т. п., хотя описаны и органические добавки, например тиомочевина, ЭДТА, Тритон Х-100 и др. Неорганические соли можно также объединять для получения смешанных модификаторов, с целью получить достаточно универсальный химический модификатор.

Примером модификатора матрицы является NH4NO3, который используют для удаления хлоридов:

NaCl + NH4NO3 = NH4CI + NaNО3 (6)

В этом случае NH4CI удаляется на стадии озоления, а оставшийся NaNOз не мешает атомизации.

Многие летучие элементы, такие, как As, Se, Zn и Cd, могут быть стабилизированы с помощью модификаторов определяемого элемента, например. Хотя механизмы стабилизации определяемого элемента изучены мало, имеются сообщения о промежуточных соединениях типа PdsAs2 или NiSe. Используя эффективный модификатор, например, Pd, можно стабилизировать легколетучие элементы, такие, как As или Se, до температуры выше 1300°С без существенных потерь./1/ Несмотря на достаточную эффективность использования модификаторов, этот метод имеет свои ограничения, поскольку для каждого модификатора существует свой предел качественного и количественного состава матрицы. Поэтому другим способом снижения влияния матрицы служит пространственное и временное разделение зон испарения и атомизации, реализуемое в двухступенчатых атомизаторах. Дополнительная стадия термической подготовки пробы и фракционной конденсации ее паров позволяет существенно снизить матричные влияния и обеспечить прямой атомно-абсорбционный анализ твердых и сильно минерализованных жидких образцов. Недостатком подобных систем является сложность конструкции, препятствующая их широкому применению./5/

8.3 Спектральные помехи

В ААС возможность спектральных помех от спектральной линии другого элемента, попадающей в спектральную полосу пропускания диспергирующей системы, крайне мала. Более того, эти спектральные помехи хорошо известны. Примерами являются Cd 228,802 нм, As 228,812 нм, А1 308,215 нм, V 308,211 нм, Sb 217,023 нм и РЬ 216,999 нм. Выбор другой чувствительной линии (в случае дейтериевой коррекции) или использование зеемановской коррекции фона позволяет устранить эти проблемы./11/

Гораздо большие трудности создает наличие неспецифического поглощения света компонентами основы. Оно возникает или благодаря рассеянию света твердыми или жидкими частицами, остающимися в атомизаторе, или из-за молекулярных полос. Это может приводить к значительному увеличению фона и, следовательно, к увеличению сигнала. Рассеяние на частицах может наблюдаться в пламени при распылении растворов с высокой концентрацией солей. Чаще это происходит в ГП-ААС. Рассеяние света подчиняется закону Рэлея, что означает увеличение коэффициента рассеяния при уменьшении длины волны. Хорошо изученным примером является рассеяние жидкими или твердыми частицами NaCl./1/

Молекулярные полосы испускаются частицами, молекулами и радикалами, присутствующими в пробе или образующимися в процессе атомизации. Их структура зависит от спектральной полосы пропускания диспергирующей системы. Как правило, они имеют вид неструктурированного спектра. Классическим примером являются молекулярные полосы в области 200-400 нм, образованные галогенидами.

Чтобы компенсировать увеличение фона, связанное с неспецифическим поглощением компонентов основы пробы, необходимо фон вычитать. Наиболее широко используют метод дейтериевой лампы и метод, основанный на эффекте Зеемана.

Из-за завышенных значений оптической плотности необходимо проводить вычитание фона, чтобы получить истинное значение сигнала определяемого элемента. Помимо того, что существует возможность коррекции с использованием контрольного раствора, что было бы идеальным решением для устранения соединений, дающих увеличение оптической плотности, и для оптимизации различных ступеней нагрева, в настоящее время для вычитания фона в серийных приборах используют три метода: метод дейтериевой лампы, метод, основанный на эффекте Зеемана, и метод Смита - Хифтье. Принцип заключается в последовательном измерении оптической плотности фона и фона вместе с определяемым элементом, затем оптическую плотность для определяемого элемента находят вычитанием. Как упомянуто ранее, пламенная ААС дает постоянный сигнал, тогда как ГП-ААС -- нестационарный сигнал. В первом случае вычитание фона можно провести до или после измерения сигнала определяемого элемента, во втором случае следует применять вычитание до и после сигнала с последующей интерполяцией.

В случае использования дейтериевой лампы (рис. 8.3) измеряют поглощение для ЛПК (или БРЛ), т. е. определяемого элемента и фона и поглощение для дейтериевой лампы. Поскольку спектральная полоса пропускания диспергируюшей системы в сравнении с шириной аналитической линии обычно велика, можно пренебречь поглощением определяемого элемента по сравнению с фоном, когда измеряют поглощение для дейтериевой лампы. Ослабление излучения дейтериевой лампы соответствует, следовательно, оптической плотности фона и может быть вычтено из оптической плотности, полученной с ЛПК. Этот метод коррекции довольно прост, но эффективен лишь в случае неструктурированного фона в области длин волн короче 360 нм. Метод дейтериевой лампы может быть использован как в случае пламени, так и для ГП-ААС в области значений оптической плотности меньше 1 и не снижает чувствительности.

Рисунок 8.3 - Устройство двулучевого прибора ААС, оснащенного корректором фона с дейтериевой лампой. 1 --источник первичного излучения; 2 -- дейтериевая лампа; 3-- полупрозрачное зеркало; 4 --атомизатор; 5 -- зеркало; 6 -- полувращающееся зеркало; 7 -- диспергирующая система; 8--детектор./8/

Второй метод более сложен и основан на эффекте Зеемана, названном в честь голландского физика. Этот эффект возникает при наложении сильного магнитного поля на атомно-абсорбционный сигнал. Спектральная линия может расщепляться на три или более компонент. Такое расщепление связано с магнитным квантовым числом Mj, которое может принимать д = 2J + 1 значений, где д -- фактор Ланде, a J --квантовое число полного электронного углового момента.

Эффект Зеемана для линии Cd I 228,8нм с AMj = 0 (p-компонента), AMj = +1 (s+-компонента) и AMj = -- 1 (s- - компонента).

Число состояний зависит от величины Mj, а величина их расщепления от величины магнитного поля. Переходы между новыми вырожденными верхним и нижним состояниями разрешены, если:

(7)

Компоненты с AMj = 0 называют p-компонентами, тогда как с AMj -- ±1 - s-компонентами. p-Компоненты линейно поляризованы параллельно магнитному полю, тогда как s-компоненты линейно поляризованы перпендикулярно магнитному полю. Нормальный эффект Зеемана (называемый нормальным, поскольку он может быть объяснен в рамках классической физики) возникает, когда оба состояния расщепляются на состояния одинаковой энергии. При этом образуется триплет с центральной p-компонентой и двумя s- и s+ - компонентами, так что суммарная интенсивность трех компонент равна интенсивности нерасщепленной линии.В этом случае расщепление (расстояние между компонентами) прямо пропорционально напряженности магнитного поля. Аномальный эффект Зеемана более сложен и приводит к образованию мультиплета, расщепление которого представляет собой более сложную функцию напряженности магнитного поля./1/

Зеемановская коррекция фона основана на том, что наличие магнитного поля не влияет на неспецифическое поглощение. ?-Компонента поглощается как определяемым элементом, так и частицами, дающими фоновое поглощение, в то время как ?-компонента поглощается только последними. Используя поляризаторы и/или модуляцию магнитного поля, можно провести последовательное вычитание фона.

Хотя магнитное поле может быть приложено к источнику первичного излучения (прямой эффект Зеемана), в большинстве промышленно выпускаемых приборов ААС магнитное поле приложено к атомизатору (обратный эффект Зеемана), который обычно представляет собой графитовую печь. Магнитное поле характеризуется его модой, поперечной или продольной, частотой (до 120Гц). Существует тенденция использовать переменное магнитное поле до 10кГц. В поперечной моде магнитное поле приложено перпендикулярно лучу. Когда поле выключено, измеряют общее поглощение (определяемого элемента и фона), а когда поле включено, измеряют только фон. В продольной моде магнитное поле приложено параллельно лучу, это означает, что p-компонента не наблюдается. Следовательно, отсутствует необходимость поляризации./1/, /2/, /10/

Благодаря тому, что измерение фона осуществляют точно на аналитической длине волны (тогда как при дейтериевой коррекции фон измеряют во всей полосе пропускания), зеемановская коррекция весьма эффективна для структурированного фона. Зеемановская коррекция также эффективна для любой длины волны. Имеются, однако, и некоторые ограничения. Может наблюдаться некоторое уменьшение чувствительности (до 20%) и изгиб градуировочного графика.

Метод Смита--Хифтье использует импульсные ЛПК. Когда применяют большой ток (до 500 мА), имеет место самопоглощение линии определяемого элемента, так что наблюдается значительное уширение и самообращение линий. При этом измеряется только поглощение фона. Это метод прост, не требует дополнительного оборудования и может быть использован с атомизаторами любого типа. Основным ограничением является ухудшение чувствительности. На практике следует использовать модифицированные ЛПК./1/, /2/, /4/

9. Практическое применение

Метод атомно-абсорбционной спектроскопии может быть использован для анализа практически любого объекта, в котором содержатся главным образом металлы (в настоящее время разработаны методики определения более 70 металлов), а также некоторые неметаллы, особенно в тех случаях, когда необходимо определять очень малые концентрации элементов (10-5 -10 -6%). Данный метод широко распространен в металлургической промышленности (при анализе руд, металлов, сплавов), в агрохимии (для определения металлов в почвах, удобрениях, растениях), в пищевой отрасли (определяют примеси металлов в пищевых продуктах, винах, пиве и др.).

В медицине метод ААС используется преимущественно для определения содержания металлов в биологических жидкостях (кровь, ликвор, сыворотка, лимфа).

В фармацевтической отрасли ААС применяется для количественного определения содержания металлов в фармацевтических препаратах, субстанциях, БАД и других объектах. В настоящее время получили довольно широкое распространение энтеросорбенты, представляющие собой смесь минералов, поэтому использование метода ААС может повлиять на выбор месторождения, где содержание металлов будет более подходящим. Так, например, при анализе перспективного энтеросорбента «Климонт» методом ААС было показано, что оптимальным для этой цели является Мысовское месторождение, где содержание токсичных элементов меньше, чем в остальных, где проводилось исследование. В РБ метод ААС применяется также при судебно-химических и химико-токсикологических анализах для определения «металлических ядов». /1/,/2/,/3/./4/,/5/,/8/

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Атомно-абсорбционный спектральный анализ получил широкое распространение в практике вследствие многих своих достоинств. Важным достоинством ААС является наличие менее жестких требований, чем в эмиссионной спектроскопии, поскольку в ААС аналитический сигнал зависит от числа невозбужденных атомов, которое сравнительно мало меняется при колебании температуры. Так, например, при 2500К при изменении на 20К, число невозбужденных атомов изменится всего на 0,02%, в то время как число возбужденных - на 8%. Важным достоинством является высокая избирательность, т. к. число линий в атомно-абсорбционном анализе невелико, поэтому наложения аналитических линий практически не происходит. Предел обнаружения для некоторых элементов при помощи ААС 10-5 -10 -7%, а абсолютный предел - 10-11- 10-14 г./1/,/6/,/11/

Однако, несмотря на многие достоинства, методу ААС присущ и ряд недостатков: данным методом невозможно определить элементы, резонансные линии которых лежат в далеком ультрафиолете, например, углерод, фосфор, галогены и др., (в настоящее время эта проблема практически решена благодаря использованию электротермической ААС) необходимость растворения пробы также можно рассматривать как недостаток, поскольку эта операция удлиняет анализ. Следует отметить, что такая проблема, как невозможность одновременного определения нескольких элементов, в настоящее время также успешно решена и это существенно расширило применение метода ААС./1/,/8/

ААС с пламенем используют главным образом из-за простоты работы, дешевизны и надежности. Метод хорошо описан, не сильно подвержен мешающим влияниям и обеспечивает относительно неплохие пределы обнаружения. ГП-ААС следует использовать для очень низких концентраций элементов, для вязких жидкостей, которые трудно распылить в пламени, для твердых веществ в виде порошков без перевода их в раствор. ААС, несомненно, самый распространенный метод элементного анализа. Доказательством этого служит число компаний, выпускающих соответствующие приборы, и число ежегодно продаваемых приборов (порядка 5000)./2/,/9/

Существует тенденция развивать многоэлементное определение с помощью многоканального детектирования. Первый атомно-абсорбционный спектрометр для одновременного определения большого (до 12) числа элементов был разработан в Институте геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР в 1970-х годах. Дальнейшее развитие предполагает уменьшение длительности электротермической программы ГП до минуты. Для анализа некоторых типов проб описаны так называемые быстрые программы без стадий золения и без добавления модификатор а.

Разработан также прямой ГП-ААС анализ твердых проб. По ряду причин, таких, как отсутствие подходящих стандартных материалов, от этого метода постепенно отказались. Интересной альтернативой является использование суспензий (взвесей). Пробу вводят в ГП в виде взвеси. Электротермическая программа и модификаторы те же, что для анализа растворов. Процедура градуировки может быть проведена с использованием простых водных стандартных растворов с той лее производительностью, как при анализе растворов. Поскольку анализируют очень малое количество пробы, существуют очень большие проблемы, связанные с однородностью исходной пробы. Тем не менее, так как нет необходимости растворять пробу, анализ твердых проб применяют для широкого круга объектов, таких, как металлы и сплавы, биологические материалы, полимеры, уголь, волосы, природные образцы и многие другие. /7/, /9/, /3/ Таким образом, метод ААС является перспективным для количественного определения ряда элементов, главным образом металлов, и существуют все предпосылки для расширения его возможностей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аналитическая химия. / Под ред. Р. Кельнера, Ж.-М. Мерме, М. Отто. Т. 2. Атомно-абсорбционная спектроскопия. / Пер. с англ. / Под ред. Л.Г. Борзенко - М. : Мир, 2004.- 726 с.

2. Химическая энциклопедия. / Под ред. И.Х. Клунянца. Т. 1 АБЛ-ДАР.- М.: Советская энциклопедия, 1988 - 625 с.

3. Atomic Absorption Spectrometry: Theory, Design and Applications. / Haswell.- Amsterdam: Elsevier, 1991.- 472p.

4. Atomic Absorbtion Spectrometry: Theory. / J.W. Robinson. - New York: Marcel Dekker, 1975 - 318p.

5. Нагулин, К.Ю. Сравнительные исследования влияния матрицы пробы на атомную абсорбцию легколетучих элементов в двухстадийном и стандартном атомизаторах / К.Ю. Нагулин, А.Х. Гильмутдинов // Журн. аналит. хим. - т. 59, № 11- 2004.- с. 1155-1162.

6. Чмиленко, Ф.А. Атомно-абсорбционное определение примесей металлов в винах с использованием ультразвука / Ф.А. Чмиленко, Л.В. Бекланова // Журн. аналит. хим. - 52, № 11 - 1997.- с. 1206-1212.

7. Количественный анализ некоторых примесных элементов в энтеросорбенте «Климонт» методом атомно-адсорбционной спектрофотометрии / К.Г. Федосеев и др. // Хим.-фарм. журн.- 2004г. - т. 2004, № 5 - с. 42-44.

8. Основы аналитической химии. / Под ред. Ю.А. Золотова. Т. 2. Методы химического анализа.- М.: Высшая школа, 1996 - 463 с.

9. Львов Б.В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ / Б.В. Львов.- М.: Наука, 1966.-274 с.

10. Flame Spectrometry in Environmental Chemical Analysis: a Practical Guide./ Lajunen.- Cambridge: The Royal Society of Chemistry, 1992.- 184 p.

Размещено на Allbest.ru