СПОСОБ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ
METHOD FOR ELEMENTARY ANALYSIS OF SUBSTANCES

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано при количественном определении концентрации химических элементов в веществах.
Существуют способы анализа веществ [1], в которых концентрацию химических элементов определяют путем использования градуировки аналитического прибора по стандартным образцам.
Известен способ анализа с использованием градуировочного графика, построенного в координатах «аналитический сигнал - концентрация стандартного образца» [2]. Обязательным условием применимости этого способа является независимость величины аналитического сигнала от различия в химических составах (матрицах) пробы анализируемого вещества и стандартных образцов. Недостатком этого способа является то, что добиться полной идентичности матриц анализируемых проб и стандартных образцов невозможно, например, если происхождение пробы неизвестно.
Известен способ анализа методом стандартных добавок [2], когда в пробу анализируемого вещества поочередно добавляют вещество - стандартную добавку (с известными содержаниями определяемого элемента, но с иной, чем у анализируемого вещества, матрицей) и измеряют суммарные аналитические сигналы. Концентрацию искомого элемента в пробе определяют по смещению относительно начала координат графика, построенного в координатах «суммарный аналитический сигнал - концентрация стандартной добавки». Обязательным условием применимости способа стандартных добавок является химическое (не механическое) смешение стандартной добавки и пробы перед измерением аналитического сигнала. Существенным недостатком способа является невозможность его применения для прямого анализа твердых проб и жидкостей, химически не смешивающихся со стандартными добавками. Например, проба нефти химически не смешивается с водной стандартной добавкой. Поэтому перед анализом пробу химически разлагают и превращают в жидкий раствор (или расплав), который уже химически смешивается с имеющейся стандартной добавкой. Недостатком способа является большая продолжительность и трудоемкость подготовительной процедуры. Кроме того, в результаты вносится погрешность, связанная с разбавлением пробы, происходящим при этом внесением загрязнений, имеющихся на посуде и реагентах. В итоге снижается достоверность результатов анализа.
Известен способ атомно-абсорбционного определения ртути в твердых пробах и нефтепродуктах методом стандартных добавок [3,4]. Для этого используют пиролитическую отгонку ртути из механической смеси пробы со стандартной добавкой (при температурах около 900°С) с последующим каталитическим дожиганием попутного дыма на нагретой нихромовой проволоке (при температуре около 800°С). Выделяющийся из пробы и стандартной добавки атомный пар ртути после механической фильтрации дыма улавливают на золотой проволоке амальгамированием. Затем амальгаму нагревают, накопленную ртуть испаряют и региструют аналитический сигнал атомной абсорбции. Недостатком способа является то, что он не применим для определения менее летучих, чем ртуть, химических элементов или элементов, не образующих амальгамы. Способ не применим также для анализа термостойких веществ, например - тугоплавких сплавов.
Наиболее близким по сущности к предлагаемому изобретению является способ спектрального анализа веществ путем зондовой фракционной атомизации [5]. Способ позволяет удалять из пробы мешающие измерению аналитического сигнала компоненты. Мешающие компоненты из потока паров атомизированной пробы удаляют путем фракционной конденсации определяемых элементов (на холодной поверхности зонда). Недостатком способа [5] является возникновение искажения аналитического сигнала при превышении некоторого порогового уровня содержания мешающих компонентов в пробе. Искажение не позволяет использовать для определения концентрации градуировочный график в координатах «аналитический сигнал - концентрация стандартного образца». Это существенно ограничивает область применения известного способа-прототипа.
Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения спектрохимического анализа и повышение достоверности результата анализа.
Цели достигают тем, что стадию смешивания пробы со стандартными добавками осуществляют в высокотемпературной (более 1000°С) газовой фазе после совместного испарения и атомизации пробы и стандартной добавки с одновременным удалением мешающих компонентов матрицы. Для этого пробу и стандартную добавку дозируют в испаритель, например - электротермический атомизатор, выполняют термическое разложение отдозированных веществ, нагревая испаритель по заданной программе. Сухой остаток веществ испаряют, атомизируют и ионизируют, а образующееся в результате газофазное вещество потоком защитного газа направляют из испарителя к установленному на выходе испарителя зонду, выполненному с возможностью регулируемого перемещения. Определяемые элементы и труднолетучие компоненты матрицы конденсируются на холодном зонде, а неконденсирующиеся продукты разложения пробы и стандартной добавки уносятся мимо зонда. В результате определяемые элементы оказываются инкорпорированными в единую для пробы и стандартной добавки матрицу в виде конденсата на поверхности зонда. Зонд с конденсатом вводят в аналитическую зону спектрометра, возбуждают спектр и регистрируют аналитический сигнал, например - методами абсорбции, эмиссии, фотоионизации, рентгеновской спектрометрии или масс-спектрометрии. Цикл измерения заканчивают термической очисткой зонда в испарителе.
Далее описанную процедуру повторяют с другими величинами стандартной добавки. По результатам измерения сигналов строят график в координатах «величина аналитического сигнала - концентрация стандартной добавки», определяют координату пересечения графика с осью координат «концентрация стандартной добавки». Эта координата указывает величину искомой концентрации элемента в пробе.
Осуществлением предлагаемого способа удовлетворяют основополагающее для метода стандартных добавок условие - химическое смешение пробы и стандартной добавки, а также пребывание определяемого элемента пробы и добавки в одинаковой химической форме в процессе формирования аналитического сигнала. Кроме того, таким путем устраняют проблему подбора жидкого растворителя и условий растворения для различных проб, поскольку применяемый высокотемпературный газ, например - аргон, вызывающий атомизацию веществ, является универсальным растворителем.
Примеры осуществления предлагаемого способа
Пример 1. Необходимо быстро определить токсичность порошка неизвестного происхождения методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии, например, по содержанию в нем свинца. Выяснилось, что порошок нерастворим в воде, а при попытке растворить его в кислотах выпадает нерастворимый осадок. Анализ выполняют методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии. Атомизируют навеску пробы, например, 10 мг порошка в графитовом зондовом фракционном атомизаторе атомно-абсорбционного спектрометра. Атомизация вызывает сильную депрессию аналитического сигнала. В такой ситуации известный способ анализа - прототип невозможно использовать. То есть прототип не пригоден для анализа с использованием градуировочного графика в координатах «аналитический сигнал - концентрация водного стандартного образца».
Согласно предлагаемому изобретению микронавеску анализируемого порошка дозируют в атомизатор, атомизируют ее и регистрируют аналитический сигнал, который, например, оказался равным 0,15 единиц оптической плотности. Таким же образом по предлагаемому способу готовят вторую микронавеску анализируемого порошка, в которую (непосредственно в атомизаторе) вводят стандартную добавку свинца, например - в виде 10 мкл водного раствора с содержанием свинца 1 нг, и опять регистрируют сигнал. Сигнал возрос до 0,25 единиц оптической плотности. Затем получают сигналы от последующих навесок анализируемого порошка с добавкой свинца в количестве 2 нг и 4 нг. Получают и регистрируют сигналы, например, равные соответственно 0,35 и 0,55 единиц оптической плотности. Величины сигналов наносят на координатную сетку «аналитический сигнал - добавка» и строят градуировочный график (см. чертеж). По координате места пересечения графика с горизонтальной осью координат «добавка» определяют содержание свинца. Абсолютное значение величины отрезка, отсекаемого графиком в отрицательной части горизонтальной оси, показывает искомое содержание свинца в навеске порошка. Оно (содержание свинца) оказалось равным 1,5 нг.
Использование предлагаемого способа расширяет область применения спектрохимического анализа. Продолжительность процедуры определения концентрации предлагаемым способом составляет порядка 5 минут. На аналогичный анализ применяемыми в практике способами расходуется несколько дней.
Кроме существенного сокращения продолжительности анализа, повышается чувствительность традиционного спектрохимического анализа, точность и достоверность результата анализа.
-7
Пример 2. С помощью предлагаемого изобретения проведен анализ валового содержания As, Pb, Cd, Zn и Au в сертифицированных образцах различных типов почв СП-1, СП-2 и СП-3 на уровне концентрации 10%. В качестве стандартных добавок использовали водные растворы азотнокислых солей определяемых элементов. Почвы дозировали в графитовый атомизатор в виде суспензии, приготовленной в глицерине. Результаты анализа совпали с сертифицированными значениями концентрации. Это подтвердило правильность результатов предлагаемого изобретения. Время анализа одного элемента в одном образце сократилось с трех суток до пяти минут, отпала необходимость трудоемкого растворения почвы в особо чистых и агрессивных кислотах с использованием дорогостоящих платиновых тиглей.
Приведенные примеры применения предлагаемого изобретения показывает его полезность для элементного анализа веществ.
Применение предлагаемого способа анализа производится с меньшей затратой времени и труда работников. Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружено средство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Способ способа анализа имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение можно реализовать в промышленном производстве аналитического оборудования, в деятельности металлургических, машиностроительных и нефтеперерабатывающих предприятий, организаций пищевой промышленности, здравоохранения, животноводства, природоохранных организаций. При этом сохраняется возможность использования известных стандартных технических устройств и оборудования, с расширением области применения стандартного оборудования. Это соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.
Источники информации
1. Г.Юинг. Инструментальные методы химического анализа. - М.: Мир, 1989.
2. Хавезов И., Цалев Д. Атомно-абсорбционный анализ. - Л.: Химия, 1983. 144 с.
3. Методика выполнения измерений массовой концентрации ртути в пробах почв методом беспламенной атомной абсорбции с термическим разложением проб ПНД Ф 16.1.1-96. В сб. "Ртуть. Нормативные и методические документы / Справочник". - СПб, 1999.
4. Определение содержания ртути в почве на атомно-абсорбционном спектрометре РА-915 с приставкой РП-91С. В сб. "Ртуть. Нормативные и методические документы / Справочник". - СПб, 1999.
5. Захаров Ю.А., Кокорина О.Б. Способ спектрального анализа. Описание Патента РФ №2273843 от. 10.04.2006.