Атомно-флуоресцентный анализатор тяжелых металлов в природных водах

АТОМНО-ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗАТОР ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ Ю.Т. Нагибин, А.А. Суров

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:

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

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

Современная универсальная аппаратура сложна по устройству и обслуживанию, обладает высокой стоимостью, предъявляет повышенные требования 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 анализа 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 излучения [5, 6] и дорогостоящих монохроматоров, а также проведения измерений в атмосфере инертного газа, чаще всего аргона [1, 4, 7].

Данная работа была предпринята с целью изучения возможностей создания современного простого и экономичного атомно-флуоресцентного анализатора (АФА) микроколичеств кадмия, цинка и свинца. В приборе используется метод возбуждения резонансной атомной флуоресценции при облучении аналитической зоны излучением безэлектродных высокочастотных шариковых ламп типа ВСБ-2 на длинах волн 228,8 нм для кадмия; 213,9 нм для цинка и 405,8 нм для свинца. Атомная флуоресценция регистрируется бездисперсионным методом под прямым углом к возбуждающему излучению. Подобная схема использовалась ранее для измерения микроколичеств ртути в различных средах. [8, 9]. Электронный блок регистрации позволяет определить максимум сигнала флуоресценции и его интегральное значение. Для защиты от внешних засветок, а также от рассеянного излучения шариковых ламп использовались диафрагмы, экраны и светозащитные кожухи.

Атомизация кадмия, цинка, свинца требует достижения высокой температуры, что реализуется с непламенными или пламенными атомизаторами [1, 2, 4]. В данной работе был использован наиболее простой и экономичный метод электротермической атомизации 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 20 В. Время нагрева и подаваемое на стержень напряжение определяют конечную температуру стержня. Для исследованных элементов эта температура составляет порядка 2000 оС и выше. Атомизатор со стержнем устанавли-

ваются под аналитической зоной АФС. Проба объемом 1-100 мкл наносится сверху на поверхность стержня. Процесс измерения включает обычные режимы нагрева стержня (просушивание до 100 оС, отжиг до 400-600 оС и атомизацию - 2000-2200 оС). Для снижения влияния фоновой засветки от стержня на длине волны регистрации на торце атомизатора был установлен дополнительный защитный экран.

Абсолютный предел обнаружения кадмия по линии 228,8 нм составил 1-10-12 г, относительный предел обнаружения в водах составил 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 цинка по линии 213.8 нм и свинца по линии 405.8 нм. Для цинка абсолютный предел обнаружения составил 1-10-12 г, а относительный предел обнаружения - 10-4 мг/л. Абсолютный предел обнаружения свинца соста-

1 1Л-10

вил 1-10 г.

По достигаемым пределам обнаружения разработанный прибор не уступает литературным данным. В то же время прибор дает возможность проводить измерения в воздушной атмосфере без привлечения дорогостоящего аргона, что упрощает схему измерений и снижает стоимость анализов.

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 флуоресценции. Здесь возможно снижение влияния рассеянного света от атомизатора, а также от возбуждающего флуоресценцию источника. Чувствительность измерений может быть повышена за счет более высокоинтенсивных источников света, возбуждающего флуоресценцию.

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

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 СПбГУ, 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.

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

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

9. 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.