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 (А_Х), затем вводят в анализируемый раствор определенный объем стандартного раствора и снова измеряют оптическую плотность (А_Х+СТ). Если С_Х - 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.