Атомно-абсорбционный анализатор микроколичеств элементов

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ В ОПТИЧЕСКОМ

ПРИБОРОСТРОЕНИИ

АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫЙ АНАЛИЗАТОР МИКРОКОЛИЧЕСТВ ЭЛЕМЕНТОВ

Ю.Т. Нагибин, Е.Д. Прудников

Создан макет атомно-абсорбционного анализатора микроколичеств кадмия, свинца, меди и марганца. Разработана конструкция электротермического атомизатора, позволившая провести измерения концентраций указанных элементов с пределами обнаружения, не уступающими литературным данным.

Введение

Общее обострение экологических проблем стимулирует объем и количество исследовательских работ, направленных на создание приборов, позволяющих определять токсичные вещества на уровне предельно допустимых концентраций (ПДК) и ниже. При этом аналитическое приборостроение развивается по двум направлениям:

• первое - создание универсальной аппаратуры с предельной чувствительностью по многим компонентам (масс - спектрометры, хроматографы и т.д.);

• второе - разработка узкоспециализированных приборов, ориентированных на определение одного или немногих химических элементов одновременно.

Современная универсальная аппаратура сложна по устройству и обслуживанию, обладает высокой стоимостью, предъявляет повышенное требование к квалификации персонала. В связи с этим создание приборов, относящихся ко второму направлению, обладающих высокой чувствительностью и одновременно относительной простотой и невысокой стоимостью, является весьма актуальной задачей.

Существующие в настоящее время приборы, основанные на атомно-абсорбционном и атомно-флуоресцентном методах анализа [1-4](Флюорат-02 (Россия), приборы фирм Tekram Inc, Nic) обладают необходимой чувствительностью для выполнения определения содержания этих элементов на уровнях ПДК. Однако стоимость этих приборов высока, так как высокие пределы обнаружения в них достигаются за счет использования зеемановской коррекции неселективного поглощения [5, 6], использования дорогостоящих монохроматоров, проведения измерений в атмосфере инертного газа, чаще всего аргона [1, 4, 7].

Описание атомно-абсорбционного анализатора

Данная работа была предпринята с целью изучения возможностей создания современного простого и экономичного атомно-абсорбционного анализатора микроколичеств кадмия, свинца, меди и марганца. В приборе используются элементы оптической схемы атомно-флуоресцентного анализатора, описанного нами в работах [8-11]. Но, в отличие от последнего, источник света в атомно-абсорбционного анализаторе разворачивается на 90о и устанавливается на одной оси с системой фокусировки излучения на регистрирующее устройство.

В качестве источника света для облучения аналитической зоны и паров пробы используются высокочастотные шариковые лампы типа ВСБ-2 на длинах волн 228,8 нм для кадмия, 217,0 нм для свинца, 324,7 нм для меди, 279,5 для марганца. Лампы помещают в индуктор высокочастотного малогабаритного генератора на полупроводнико-

вой основе. Излучение ламп фокусируется на аналитической зоне с помощью кварцевой линзы из плавленого кварца диаметром 50 мм и с фокусным расстоянием 50 мм. В оптической схеме регистрации использовался малогабаритный дифракционный моно-хроматор с оптической силой 1:3. Использованная оптическая схема атомно-абсорбционного анализатора позволяет реализовать малые габариты прибора в сочетании с высокой светосилой и чувствительностью измерений. В электронной схеме регистрации применяют счетные ФЭУ, метод регистрации по счету фотонов и компьютерную обработку сигнала атомной абсорбции с регистрацией как интегральной, так и пиковой величины сигнала [8-12]. Для защиты от внешних засветок, а также от рассеянного излучения шариковых ламп использовались диафрагмы, экраны, а также светозащитные кожухи.

Атомизация кадмия, цинка, свинца требует достижения высокой температуры, что реализуется с непламенными или пламенными атомизаторами [1-4]. В данной работе используется наиболее простой и экономичный метод электротермической атоми-зации в воздушной атмосфере, для чего был разработан электротермический атомизатор. Атомизатор представляет собой стержень из графита МПГ-8 сечением 2x2 мм и длиной 50 мм. Стержень устанавливается в контакты электропитания атомизатора. Отличием конструкции атомизатора является наличие кварцевого экрана в виде полуцилиндра, расположенного снизу атомизатора. Экран предохраняет графитовый стержень от окисления кислородом воздуха при электротермическом нагреве стержня, что позволяет проводить до 200 циклов нагрева стержня и более 100 измерений элемента. Питание стержня осуществляется через реле времени от понижающего трансформатора с вторичным напряжением до 20В. Время нагрева и подаваемое на стержень напряжение определяют конечную температуру стержня. Для исследованных элементов эта температура составляет порядка 2000оС и выше. Атомизатор со стержнем устанавливаются под аналитической зоной атомно-абсорбционного анализатора. Проба объемом 1-100 мкл наносится сверху на поверхность стержня. Процесс измерения включает обычные режимы нагрева стержня (просушивание до 100оС, отжиг до 400-600оС и атомизацию при 2000-2200оС).

Для снижения влияния фоновой засветки от стержня на длине волны регистрации на торце атомизатора был установлен дополнительный защитный экран.

Полученные результаты

Абсолютный предел обнаружения кадмия по линии 228,8 нм составил 1-10"12 г, относительный предел обнаружения в водах - 10-4 мг/л. Были исследованы возможности анализа кадмия в сточных водах сложного состава, содержащих органику, в зерне и картофеле.

Основной проблемой анализа сложных проб является влияние неселективных спектральных помех от основы пробы. Для снижения спектральных помех проводили предварительное высушивание и отжиг пробы на стержне перед атомизацией. Отжиг позволяет только частично снизить влияние неселективных помех за счет сжигания органики. Более труднолетучие компоненты пробы испаряются при более высоких температурах и создают сильные помехи определению кадмия. Для их устранения был применен метод селективного испарения кадмия путем подбора условий нагрева атомизатора и испарения пробы. При снижении скорости нагрева стержня и конечной температуры кадмий испаряется при более низких температурах, чем основные компоненты пробы. Это позволяет проводить определение микроколичеств кадмия в присутствии больших количеств мешающих элементов основы.

Были изучены пределы обнаружения свинца по линии 217.0 нм, меди по линии 324,7 нм и марганца по линии 279,5 нм. Для этих элементов абсолютный предел обна-

ружения составил 1-10"11 г, а относительный предел обнаружения составил 10-3 мг/л. По достигаемым пределам обнаружения разработанный прибор не уступает литературным данным. Можно указать большие возможности для дальнейшего совершенствования прибора. Прежде всего это привлечение различных схем автоматического учета спектральных помех с модуляцией излучения источника света или регистрируемого сигнала. Здесь возможно снижение как влияния рассеянного света от атомизатора, так и неселективных помех от основы. Чувствительность измерений может быть повышена за счет более высокоинтенсивных источников света.

Таким образом, в работе предложен простой и экономичный атомно-абсорбционный анализатор кадмия, свинца, меди и марганца, который имеет высокую чувствительность измерений элементов и может быть использован для целей анализа экологических и других объектов.

Полученные нами результаты согласуются с общими современными тенденциями развития атомно-абсорбционного анализа и других методов аналитической химии [13, 14].

Литература

1. Зайдель А.Н. Атомно-флуоресцентный анализ. Физические основы метода. - М.: Наука, 1980. - 126 с.

2. Спектральный анализ чистых веществ. Под ред. Зильберштейна Х.И. - СПб: Химия, 1994. - 336 с.

3. Прайс В. Аналитическая атомно-абсорбционная спектроскопия. - М.: Наука, 1986.

4. Дробышев А.И. Основы атомного спектрального анализа. - СПб: Из-во СПб Университета, 1997. - 200 с.

5. Разумов В.А. // ЖАХ. - 1977. - Т.32. - № 3. - С. 596.

6. Альтман Э.А. и др. // ЖПС - 1982. - Т.37. - № 7. - С. 709.

6. Smith B.W., Glick M.R., Spears K.N., Winefordner J.R. // Apll. Spectrosc. - 1989. - V. 43. - № 3. - P. 376.

7. Stroganov A.A., Ilyukhin F.V., Nagibin Yu.T., Prudnikov ED. / Proceed. of CANAS'99 (Colloquium Anal. Atomspektrosk.). Konstanz. Germany. 1999.

8. Ильина Н.Р., Нагибин Ю.Т., Прудников Е.Д., Строганов А.А. / Тезисы докладов 30-й научно-практической конференции проф.-препод. состава СПбИТМО (ТУ). СПб, 1999. С. 33.

9. Нагибин Ю.Т., Крехалев А.В., Прудников Е.Д. Атомно-флуоресцентный метод определения следовых концентраций ртути в окружающей среде. / Тезисы докл. Юбилейной науч.-техн. конф. ППС СПбГИТМО (ТУ), СПб, 2000. С.81-82.

10. Нагибин Ю. Т., Прудников Е. Д. Атомно-флуоресцентный анализатор кадмия, цинка и свинца. // Научно-техн. вестник СПбГИТМО (ТУ). - 2002. - Вып. 5 (199). - С. 190-192.

11. Нагибин Ю.Т., Прудников Е.Д. Механическая активация растворов как способ повышения чувствительности в спектральном анализе. // Научно-техн. вестник СПбГУ ИТМО. - 2005. - Вып. 18. - С.87-90.

12. Heitmann U. High-Resolution Continuum Source Atomic Absorption Spectrometry -what's coming next to the born star of AA. // Proceed. CANAS'05, Colloquium Analytische Atomspektroskopie, Kurzfassungen der Beitrage, s. 20. Freiberg, Germany, 6-10 Mart 2005, HV03.

13. Аналитическая химия / Под ред. Кельнер. Пер. с англ. Т. 1, 2. - М.: Мир, 2004.