Атомно-абсорбционный анализ

Атомно-абсорбционный спектральный анализ как инструментальный метод определения химического состава веществ по атомным спектрам поглощения, на сегодняшний день, достиг весьма широкого распространения в аналитической практике. Этот метод позволяет определять около 70 элементов. В основном это металлы: Al, Ba, Be, V, Bi, W, Fe, Ca, Cd, Co, Si, Mg, Mn, Cu, Mo, Ni, Sn, Pb, Ti, Cr и Zn, но возможно применение метода и для определения некоторых неметаллов: As, B, I, P, Se, Si и Te.
В настоящее время с использованием данного метода можно анализировать такие экологические объекты как природные и сточные воды, почвы, биологические ткани и жидкости, атмосферные выбросы, и другие.

Из истории открытия
Впервые линии поглощения атомов были обнаружены при изучении спектра Солнца в самом начале XIX века Волластоном, а затем и Фраунгофером. Непосредственная связь вида спектров атомного поглощения и испускания с химическим составом нагретого газа была установлена в работах Бунзена и Кирхгофа (1859-1861 гг.). Спектры поглощения (абсорбции) атомов в аналитических целях начали применять с тридцатых годов XX века для идентификации некоторых элементов в атмосферах звезд и для земных дел: определения содержания ртути в различных пробах и атмосфере лабораторных помещений. Но распространенность метода как лабораторного была ограничена, так как отсутствовала удобная и высокочувствительная схема измерения.
В 1955 г. австралийский ученый А. Уолш предложил простой и практически легко осуществимый способ количественного определения содержания элементов в растворах, распыляемых в пламя ацетилен-воздух, по поглощению излучения атомных линий от специальных селективных ламп. Это, кажущееся сейчас простым, решение, которое лежит в основе аналитического метода атомно-абсорбционной спектрометрии, предопределило дальнейшее стремительное развитие метода.

Основные принципы ААС
Атомно-абсорбционный анализ – метод аналитической химии, основанный на селективном поглощении (абсорбции) электромагнитного излучения определенной длины волны свободными от всех молекулярных связей нейтральными атомами определяемого элемента.
В процессе абсорбции электрон переходит с основного энергетического уровня на более высокий в результате фотонного возбуждения, т.е. облучения светом с определенной частотой. При этом интенсивность возбуждающего света данной частоты уменьшается.

Для получения спектра необходимо произвести атомизацию вещества пробы, т.е. превращение ее в атомные пары, для чего его раствор распыляют в пламени или испаряют сухой остаток раствора в электрической печи в интервале температур 2000-3000 oC. В этом температурном интервале более 90% атомов находятся в невозбужденном состоянии и окружающие атомы и молекулы не могут его изменить и, следовательно, не могут повлиять на величину атомного поглощения. Этот факт, наряду с малым количеством линий поглощения, обуславливает высокую избирательность атомно-абсорбционного метода.
Связь между величиной поглощения и концентрацией элемента в пробе выражается из закона Бугера-Ламберта-Бера:
А=lg(Jo/J)=kbС, где
А-величина, характеризующая поглощение света (абсорбция);
Jo-начальная интенсивность возбуждающего излучения;
J-интенсивность проходящего света;
k-коэффициент поглощения;
b-толщина поглощающего слоя;
С-концентрация определяемого элемента.
Из формулы следует, что зависимость между светопоглощением и концентрацией линейна, а температура атомизатора на поглощение не влияет. Коэффициент поглощения k пропорционален вероятности данного перехода. Обычно наиболее высокие значения k соответствуют переходу электрона с основного на наиболее близкий к нему энергетический уровень. Если концентрацию определяемого элемента С выразить в грамм-атомах, то почти для всех элементов k=107-109. Сравнение с фотометрическим методом, где максимальное значение молярного коэффициента поглощения ε≈105, показывает, что чувствительность атомно-абсорбционного метода значительно выше.

Для измерения величины атомного поглощения А необходимо соблюдение двух условий, сформулированных Уолшем:
λЕmax=λAmax,
т.е. длина волны, соответствующая максимальному поглощению атомных паров, должна быть равна длине волны максимальной интенсивности излучения источника;
δА≥2δЕ,
т.е. полуширина линии поглощения атомных паров должна быть, по крайней мере, в два раза больше полуширины линии испускания источника (рис.2.1).
Рис.2.1. Условия Уолша

Если первое условие не выполняется, атомная абсорбция вообще не происходит. Если не выполняется второе условие, то атомами поглощается лишь малая часть излучения источника из-за того, что контур линии излучения шире контура линии поглощения. Это приводит к резкому ухудшению чувствительности атомно-абсорбционного определения. Полуширина атомной линии поглощения составляет менее 0,01 нм, следовательно, полуширина соответствующей линии испускания должна быть не больше 0,005 нм.
Традиционные методы монохроматизации света (призма, дифракционная решетка, интерференционные фильтры) не обеспечивают такой узкополосности. Поэтому в атомно-абсорбционном анализе приходится использовать специальные источники, излучающие узкие полосы спектра. К таким источникам относятся газоразрядные лампы, лампы с полым катодом и высокочастотные безэлектродные лампы. С одной стороны, необходимость иметь на каждый определяемый элемент свою отдельную лампу усложняет процедуру анализа, но с другой стороны, исключительно тонкие линии атомного поглощения обеспечивают высокую селективность метода .

Общая схема атомно-абсорбционного анализа
Для реализации метода атомно-абсорбционного анализа необходимо иметь (рис.2.2):
селективный источник света излучаемого элемента (СИС);
атомизатор (Ат) для перевода данного элемента из реальной пробы в атомарную форму;
спектральный прибор (СП) для выделения аналитической линии этого элемента;
электронную систему (ЭС) для детектирования, усиления и обработки аналитического сигнала.
Рис. 2.2. Принципиальная схема атомно-абсорбционного спектрометра

Способы получения поглощающих слоев
Получение поглощающих слоев в атомно-абсорбционной спектрометрии является наиболее существенным звеном в процедуре анализа. Это связано с необходимостью атомизации анализируемых проб, т.е. переведением вещества в такое состояние, при котором определяемые элементы находятся в виде свободных атомов, способных к абсорбции света.
Наиболее часто используемыми способами атомизации вещества пробы являются пламенная и электротермическая атомизация.

Пламенная атомизация
Пламя – это низкотемпературная плазма, в которой протекающие химические реакции поддерживают температурный баланс. В атомной спектроскопии обычно используют пламена горючих газов в смеси с окислителями. При этом необходимо выполнение следующих требований:
пламя должно быть прозрачным в области 190-850 нм;
слабое собственное излучение;
максимальная эффективность атомизации элементов;
минимальная степень ионизации элементов;
высокая стабильность горения.
Наибольшее распространение в атомно-абсорбционном анализе получило пламя ацетилен-воздух. Оно имеет высокую пропускаемость в области от 200 нм, очень слабую собственную эмиссию и обеспечивает высокую эффективность атомизации более чем 30 элементов, в том числе щелочных, щелочноземельных элементов и некоторых металлов (медь, кадмий, таллий, свинец, марганец, железо, кобальт и никель). Максимальная температура пламени 2300 0С. Это пламя наиболее стабильно, его температура слабо зависит от рабочей высоты и стехиометрии и составляет 2250±50 0С.

Используемые в атомно-абсорбционном анализе пламена газовых смесей ламинарны, т.е. все частицы в пламени перемещаются параллельно. Ламинарное пламя состоит из трех зон (рис. 2.3).
Рис.2.3. Зоны ламинарного пламени
Внутренняя зона 1 называется первичной реакционной зоной. Для нее характерны радикальные реакции пиролиза горючего. Эта зона обычно не шире 1 мм и имеет температуру менее 1000 0С. В первичной реакционной зоне термическое равновесие не достигается, и в атомной спектроскопии ее не используют, поскольку атомизация в этой зоне происходит лишь в незначительной степени, а собственное поглощение и шумы достаточно велики. В атомно-абсорбционном анализе эта зона не используется.
В средней зоне 2 – зоне внутреннего конуса присутствует избыток горючего, из-за чего в ней преобладают отрицательно заряженные радикалы и молекулы с восстановительным действием: С*2 , СN* , СО , СН* , Н2 , NН*.
Внешняя зона 3 называется вторичной реакционной зоной. В ней реакция окисления идет до конца, т.е. при горении углеводородов в воздухе – до СО2 и Н2О. Кислород из окружающего воздуха диффундирует в эту зону и обеспечивает полное окисление продуктов пламени; вторичная зона – самая стабильная.

Электротермическая атомизация
Технику электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии предложил Б.В. Львов.
Вместо пламенного атомизатора, он применил непламенный атомизатор – графитовую кювету, нагреваемую электрическим током.

В графитовой печи электрический ток подается через массивные токопроводы на тонкостенную графитовую трубку, которая вставляется между контакт-холодильниками и нагревает ее. Анализируемое вещество, нанесенное на торец угольного электрода, вводится в разогретую кювету через поперечное отверстие в центре трубки. Испарение осуществляется в течение короткого промежутка времени в результате подогрева электрода извне мощной дугой постоянного тока, зажигаемой между вводимым электродом и дополнительным электродом, установленным под кюветой. Вокруг графитовой трубки с постоянной скоростью пропускается инертный газ, который предохраняет нагретые части графитовой печи от воздействия атмосферного кислорода и способствует удалению испаренной и атомизированной пробы. Для охлаждения графитовых контактов служат контакт-холодильники, по которым циркулирует вода.

Обычно температурную программу графитовой печи можно разделить во времени на следующие этапы: I - высушивание пробы (испарение растворителя), II - сгорание пробы (пиролиз, удаление компонентов матрицы), III – промежуточный; IV - атомизация (при температуре разложения данного соединения определяемого элемента); V – отжиг для устранения эффектов «памяти» (рис.2.4).
Рис.2.4. Температурная программа графитовой печи

На стадии высушивания пробы происходит удаление растворителя за счет физических процессов испарения и кипения. Высушивание пробы должно происходить постепенно и до конца, во избежание потерь от разбрызгивания. Скорость высыхания влияет на распределение раствора в печи и на его проникание в графит. Температура и длительность стадии высушивания для отдельных проб зависят от природы растворителя и объема образца. Температура данной стадии должна быть несколько ниже (на 10-20 градусов), чем температура кипения растворителя, длительность стадии высушивания пробы обычно составляет от 1 до 3 с на 1 мкл объема образца.

На стадии пиролиза аналит (исследуемая проба) находится в составе сложной термодинамической системы, включающей в себя пробу, вводимые химические модификаторы, материал поверхности атомизатора и его атмосферу. При реализации этой стадии температурно-временной программы нагрева необходимо удалить из пробы максимальное количество матричных компонентов, не потеряв определяемый элемент. Стадия пиролиза является очень важной составной частью температурно-временной программы нагрева пробы, поскольку она во многом определяет правильность результатов анализа и степень устранения термохимических и неселективных спектральных помех на последующей стадии атомизации.

Атомизация элементов в графитовой печи в зависимости от их физико-химических свойств может происходить двумя основными путями:
термическое испарение и разложение индивидуальных веществ;
термохимическое восстановление газообразных соединений определяемого элемента.
Температуры, обычно используемые на стадии атомизации в электротермических атомизаторах (2000-2800 0С), близки к температурам пламен ацетилен-воздух и ацетилен-закись азота, наиболее часто применяемых в атомно-абсорбционном анализе. Для многих элементов в этих пламенах наблюдается значительная ионизация, что необходимо учитывать и устранять в практическом анализе. Явление ионизации наблюдается и в электротермических атомизаторах, но для существенно меньшего круга определяемых элементов. Это связано с высокой собственной фоновой концентрацией электронов в данном атомизаторе.

Спектральные помехи
Неселективное поглощение – основная спектральная помеха в атомно-абсорбционном анализе. В данном случае под неселективным поглощением понимается неатомное, фоновое поглощение, которое в некоторых случаях сильно зависит от длинны волны, что затрудняет его коррекцию традиционными способами.
Это поглощение имеет место в том случае, когда в атомизаторе в процессе испарения пробы, наряду с атомами определяемого элемента, в газовой фазе появляются молекулы, спектральная полоса поглощения которых накладывается на линию поглощения определяемого элемента. Кроме того, при испарении и атомизации проб, содержащих, например, органические соединения, может происходить задымление рабочего пространства атомизатора. В последнем случае уменьшение интенсивности опорного излучения будет происходить еще и за счет рассеяния света на микрочастицах дыма.

Значительное внимание уделяется разработке аппаратурных способов коррекции неселективного поглощения. Эти способы позволяют эффективно подавлять помехи с широким спектральным интервалом, однако для правильной коррекции узкополосных помех требуется определенная осторожность. Сущность способов коррекции неселективного поглощения сводится к тому, что одновременно с поглощением аналитической линии регистрируется поглощение корректирующей линии или полосы, которая предполагается обусловленным неселективным поглощением и численно равным неселективному поглощению на длине волны аналитической линии.
В настоящее время применяют следующие аппаратурные способы коррекции неселективного поглощения: использование дополнительной спектральной линии; использование эффекта самообращения спектральных линий; использование ламп со сплошным спектром; использование эффекта Зеемана.

Атомно-абсорбционный спектрометр АА-6300 фирмы «Shimadzu».

Принцип действия прибора
Основными элементами атомно-абсорбционного спектрометра являются (рис.3.1): селективный источник света, модулятор, атомизатор, монохроматор, детектор, усилитель и регистрирующее устройство.
Рис.3.1. Схема атомно-абсорбционного спектрометра

Селективный источник света излучает линейчатый спектр, содержащий узкую резонансную линию определяемого элемента. Модулятор механическим или электрическим способом прерывает поток света от источника. В атомизаторе проба превращается в атомные пары определяемого элемента пробы, поглощающие свет соответствующей длины волны. Монохроматор выделяет узкую спектральную полосу (обычно 0,2-2 нм), в которой находится измеряемая спектральная линия определяемого элемента. Детектор преобразует световой поток в электрический сигнал, который обрабатывается в регистрирующем устройстве так, чтобы на выходе атомно-абсорбционного спектрометра регистрировалась величина поглощения. Регистрирующее устройство синхронизировано с модулятором и реагирует только на прерывистый сигнал источника. Таким образом исключается воздействие излучения атомизатора – оно постоянно во времени и, следовательно, вызывает в детекторе постоянный ток, на который отсчетное устройство не реагирует.

Рис.3.2. Двулучевая схема переменного тока: 1-луч сравнения; 2-измерительный луч; СИС-селективный источник света; ЗМод-модулятор с зеркальными лопастями; З* и З**-поворотные зеркала; Ат-атомизатор; ПЗ-полупрозрачное зеркало; Мон-монохроматор; УВП-устройство ввода пробы.

В данной схеме пучок света от селективного источника СИС попадает на зеркальные лопасти вращающегося модулятора ЗМод и делится на два луча. Луч 1 с помощью зеркальной оптической системы пропускается мимо атомизатора Ат прямо на вход монохроматора Мон. Это сравнительный луч света, с помощью которого можно провести измерение сравнительного (опорного) сигнала Iо. В другой момент времени, после поворота модулятора ЗМод при вращении на некоторый угол, свет от селективного источника СИС с помощью зеркальной системы проходит уже через атомизатор и попадает на вход монохроматора. Это рабочий луч света 2, испытавший поглощение в атомизаторе на резонансной длине волны λо. Он позволяет провести измерение полезного сигнала I. Оба луча света далее с помощью полупрозрачного зеркала ПЗ совмещаются на одном оптическом пути через монохроматор Мон. Соответствующие каждому лучу и характеризующиеся сдвигом по фазе выходные сигналы, полученные на фотоприемнике, разделяют, усиливают и сравнивают с помощью электронной системы обработки сигнала. Следовательно, используя данную схему, можно измерять соотношение Iо/I с высокой частотой, соответствующей частоте модуляции 200-400 Гц.

При равенстве интенсивностей лучей 1 и 2 сигнал абсорбции равен нулю. Если в ячейке атомизатора присутствуют атомы определяемого элемента, то происходит ослабление рабочего луча света 2, возникает сигнал разбаланса и регистрируется прибором, фиксирующим сигнал поглощения. За малые промежутки времени между отдельными измерениями I и Io дрейф интенсивности лампы и изменение чувствительности фотодетектора значительно измениться не могут (рис.3.3). Это сохраняет значительно большую стабильность нулевой линии. В такой конструкции спектрометра нет необходимости затрачивать большие усилия на обеспечение стабильности источника селективного излучения.
Рис.3.3. Измерение аналитического сигнала (абсорбции) А в двулучевой схеме переменного тока (Δt – промежуток времени введения пробы в пламенный атомизатор)

Достоинства метода
высокая избирательность определения индивидуальных элементов;
высокая чувствительность (низкое содержание вещества в исследуемой пробе: 10-1-10-4 мг/л);
хорошая воспроизводимость (относительное стандартное отклонение
~ 0,01 %);
большая производительность (до 500 определений в час).[5]
Этот метод позволяет определять около 70 элементов. В основном это металлы, но возможно применение метода и для определения некоторых неметаллов: As, B, I, P, Se, Si и Te. Причем для большинства определяемых элементов (около 40) возможно достижение относительно низких пределов обнаружения:
в пламенном варианте – от десятых долей до десятков и сотен мкг/л;
в электротермическом варианте – от тысячных до десятых долей мкг/л.
Для таких элементов как As, Cd, Hg, Se, Zn и некоторые другие, пределы обнаружения, реализуемые в методе атомно-абсорбционной спектрометрии, являются одними из самых низких в аналитической химии.
Современная техника атомно-абсорбционного анализа, реализуя гибкость метода, позволяет устанавливать содержание элементов в широком интервале концентраций:
в пламени – от десятитысячных долей процента до десятков массовых процентов;
в электротермических атомизаторах нижняя граница определяемых массовых долей для многих элементов составляет 10-6-10-4 % мас., верхняя – до диапазона пламенных определений.

Недостатки ААС
Атомно-абсорбционный метод не многоэлементный, требующий дополнительных комплектующих и расходных материалов (графитовые кюветы, источники возбуждения).