Основные узлы приборов для атомно-абсорбционного анализа
Приборы для атомно-абсорбционного анализа подразделяются на однолучевые, двухлучевые, одноканальные и многоканальные. Принципиальные схемы одно- и двухлучевого спектрометра показаны на рис. 25.
В однолучевом спектрофотометре (Рис. 25 а) свет от источника резонансного излучения пропускают через пламя, в которое впрыскивается мелкодисперсный аэрозоль раствора пробы. В пламени частички аэрозоля испаряются и диссоциируют, образуя свободные атомы, способные поглощать свет на резонансных длинах волн. В результате атомного поглощения начальная интенсивность светового пучка I0 снижается до некоторой величины I, зависящей от концентрации данного элемента в пробе. Монохроматор выделяет узкую область спектра (доли нанометра), в которую попадает нужная аналитическая линия. Приемник света (обычно — фотоэлектронный умножитель) превращает световой поток в электрический сигнал, который после усиления настроенным на частоту модуляции усилителем переменного тока воспринимается регистрирующим устройством. В качестве последнего выступает компьютеризованная система управления и регистрации.
Основным преимуществом однолучевого спектрофотометра, кроме его простоты, является минимум оптических деталей и, следовательно, наименьшие потери света на пути от источника света до его приемника. Интенсивность резонансного излучения измеряют дважды — до распыления анализируемого образца в пламя и в момент его распыления. Разность этих двух отсчетов и определяет значение аналитического сигнала.
Рис. 25. Схема атомно-абсорбционного спектрометра: 1- источник излучения; 2-атомизатор (пламя); 3- монохроматор; 4- детектор; 5- система регистрации.
В двулучевом спектрофотометре (рис. 25 б) первичный пучок резонансного излучения делится на два, один из которых далее проходит через атомизатор, а второй — в обход его. Затем оба пучка попеременно направляются на входную щель монохроматора и поочередно (благодаря сдвигу по фазе) детектируются, усиливаются и сравниваются друг с другом. На выходе такого прибора отсчитывается непосредственно значение оптической плотности. Главным преимуществом двухлучевого спектрофотометра считается лучшая долговременная стабильность, так как данная схема позволяет компенсировать колебания в яркости свечения источника и в чувствительности детектора. По ряду причин это преимущество часто переоценивается. Кроме того, применение двухлучевых приборов связано с 3–5-кратной потерей света, что приводит к ухудшению соотношения сигнал/шум по сравнению с однолучевыми схемами.
Источники излучения
Источником излучения является обычно лампа с полым катодом (ЛПК), содержащая определяемый элемент.
Катод такой лампы изготавливают из определяемого элемента (рис.26.), в котором происходит испарение вещества и возбуждение атомов элементов при электрическом разряде в атмосфере инертного газа под небольшим давлением (200 - 800 Па).
Рис.25. Схема строения лампы с полым катодом.
Катоды, изготовленные из элементов с низкими температурами плавления, легко разрушаются.Для определения таких элементов используют графитовые катоды, пропитанные солями определяемых элементов.
Анод в виде металлического стержня, размещают рядом с катодом и оба электрода помещают в стеклянный баллон со стеклянным или кварцевым окошком. При подаче напряжения на электроды атомы металла катода возбуждаются и испускают резонансное излучение. Из него с помощью дифракционного монохроматора можно выделить одну (обычно наиболее интенсивную) линию и использовать ее для атомно- абсорбционного определения соответствующего элемента. Ширина линий испускания ЛПК составляет 10-4 – 10-3 нм.
Атомизаторы
Атомизаторами в ААС являются пламена и электротермические атомизаторы. Роль атомизатора заключается только в переводе пробы в атомарное состояние, но не возбуждение атомов, поэтому диапазон температур в ААС (800 - 3000 0С).
Пламя газовой горелки является одним из атомизаторов, используемых в ААС. Поскольку уменьшение интенсивности излучения пропорционально толщине светопоглощающего слоя, горелки имеют специальную конструкцию (рис 27), обеспечивающую постоянную и достаточно большую длину поглощающего слоя (5÷10 см).
Рис. 27. Схема атомизатора для пламенной ААС на основе щелевой горелки. I0 – интенсивность падающего света, I – интенсивность пошедшего света.
Горючая смесь для поддержания пламени состоит из горючего газа и газа-окислителя. Наиболее распространённые сочетания газов приведены в табл. 8.
Таблица 8
Состав газовых смесей для пламенной ААС
| Газовая смесь (горючий газ – окислитель) | Температура, К | Определяемые элементы |
| Ацетилен – воздух | до 2500 | большинство |
| Ацетилен – закись азота | до 3100 | В, Al, Si, Be, элементы 3-5 побочных подгрупп |
| Водород - воздух | до 2300 | As, Se |
| Метан - воздух | до 2000 | щелочные металлы |
Ещё один способ атомизации состоит в использовании графитовых трубок, нагреваемых электрическим током. Их часто называют графитовыми кюветами (рис. 28).
Рис. 28. Атомизатор: 1 - источникизлучения, 2 - отверстиядля ввода пробы, 3 - электрические контакты.
Длина трубки составляет обычно от 30 до 50 мм, внутренний диаметр – около 10 мм. Раствор пробы (порядка 10 мкл) вводят в кювету и нагревают её по специальной температурной программе, подводя напряжение через металлические контакты. Таким способом можно достичь температуры порядка 3000 К.
Количественный анализ
В практике анализа обычно применяют метод градуировочного графика и метод добавок.
В методе градуировочного графика измеряют оптическую плотность нескольких стандартных растворов и строят график в координатах оптической плотности (А) - концентрация (С). Затем определяют оптическую плотность анализируемого раствора и по графику находят его концентрацию. При работе по методу добавок сначала измеряют оптическую плотность анализируемого раствора (АХ), затем вводят в анализируемый раствор определенный объем стандартного раствора и снова измеряют оптическую плотность (АХ+СТ). Если СХ - концентрация анализируемого раствора, а ССТ - стандартного, то:
Метод ААС используется в анализе почти любого технического или природного объекта, особенно при определении небольших содержаний элементов. Метод атомно-абсорбционного определения разработан более чем для 70 элементов (Mg, Zn, Cu, Ca, Pb, Fe, Ag, Ni, Hg, Cd, Bi, Auи др.).
Чувствительность метода составляет для многих элементов 10-5÷10-6 %. Погрешность определения - 3÷10%.
Методом ААС анализируют металлы, сплавы, продукты металлургической переработки руд, концентратов и т.д.