Атомно-абсорбционная спектроскопия ( ААС ) и атомно-эмиссионная спектроскопия ( АЭС ) — спектроаналитический метод количественного определения химических элементов по свободным атомам в газообразном состоянии. Атомно-абсорбционная спектроскопия основана на поглощении света свободными ионами металлов.
В аналитической химии этот метод используется для определения концентрации определенного элемента (аналита) в анализируемой пробе. ААС может использоваться для определения более 70 различных элементов в растворах или непосредственно в твердых образцах посредством электротермического испарения [1] и используется в фармакологических , биофизических , археологических и токсикологических исследованиях.
Атомно-эмиссионная спектроскопия (ААС) была впервые использована в качестве аналитического метода, а основные принципы были установлены во второй половине 19-го века Робертом Вильгельмом Бунзеном и Густавом Робертом Кирхгофом , профессорами Гейдельбергского университета , Германия. [2]
Современная форма ААС была в основном разработана в 1950-х годах группой австралийских химиков. Их возглавил сэр Алан Уолш из Отдела химической физики Организации Содружества по научным и промышленным исследованиям (CSIRO) в Мельбурне , Австралия . [3] [4]
Атомно-абсорбционная спектрометрия имеет множество применений в различных областях химии, таких как клинический анализ металлов в биологических жидкостях и тканях, таких как цельная кровь, плазма, моча, слюна, ткань мозга, печень, волосы, мышечная ткань. Атомно-абсорбционная спектрометрия может использоваться для качественного и количественного анализа.
В этом методе используется спектр атомного поглощения образца для оценки концентрации в нем конкретных аналитов. Для установления связи между измеренной оптической плотностью и концентрацией аналита требуются стандарты с известным содержанием аналита, и поэтому он основан на [законе Бера-Ламберта]. ## Анализ образцов с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС)
Атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) измеряет концентрацию определенных элементов в образце путем анализа их уникального «отпечатка пальца» в форме спектра атомного поглощения. Вот как это работает:
* **A = εcl**, где: * A — измеренное поглощение. * ε — молярная поглощательная способность (константа, зависящая от элемента и длины волны). *c – концентрация аналита. * l — длина пути света через образец.
Измеренная поглощательная способность напрямую обеспечивает обратную связь о концентрации аналита в образце. Эта петля обратной связи позволяет ААС эффективно анализировать различные образцы и определять их элементный состав с высокой точностью.
Таким образом, ААС использует уникальные абсорбционные свойства элементов для точного количественного определения их концентрации в образцах. Подготавливая образец, распыляя аналиты, измеряя их поглощение определенного света и применяя закон Бера-Ламберта, этот мощный метод помогает нам понять элементный состав разнообразных материалов в различных научных и промышленных областях.
Чтобы проанализировать образец на предмет его атомных составляющих, его необходимо распылить. В настоящее время наиболее часто используются пламенные и электротермические ( графитовые трубки) распылители. Затем атомы следует облучать оптическим излучением, а источником излучения может быть источник линейчатого излучения для конкретного элемента или источник непрерывного излучения. Затем излучение проходит через монохроматор , чтобы отделить излучение конкретного элемента от любого другого излучения, испускаемого источником излучения, которое в конечном итоге измеряется детектором.
В настоящее время используются спектроскопическое пламя и электротермические распылители. Для специальных целей можно использовать другие распылители, такие как распыление тлеющим разрядом, распыление гидридом или распыление холодным паром.
Самыми старыми и наиболее часто используемыми распылителями в ААС являются пламя, в основном пламя воздух-ацетилен с температурой около 2300 °С и пламя системы закись азота [4] (N 2 O)-ацетилен с температурой около 2700 °С. . Кроме того, последнее пламя обеспечивает более восстановительную среду и идеально подходит для аналитов с высоким сродством к кислороду.
Жидкие или растворенные образцы обычно используются с пламенными распылителями. Раствор пробы аспирируется пневматическим аналитическим распылителем , преобразуется в аэрозоль , который вводится в распылительную камеру, где смешивается с газами пламени и кондиционируется таким образом, чтобы только мельчайшие капли аэрозоля (< 10 мкм) попадали в пламя. Этот процесс кондиционирования снижает помехи, но из-за этого только около 5% аэрозольного раствора достигает пламени.
В верхней части распылительной камеры находится головка горелки, которая производит пламя длиной в поперечном направлении (обычно 5–10 см) и глубиной всего несколько мм. Луч излучения проходит через это пламя по своей самой длинной оси, и скорость потока пламенного газа можно регулировать для получения наибольшей концентрации свободных атомов. Высоту горелки также можно регулировать так, чтобы луч излучения проходил через зону с наибольшей плотностью облаков атомов в пламени, что обеспечивает максимальную чувствительность.
Процессы в пламени включают стадии десольватации (сушки), при которой растворитель испаряется, а наночастицы сухого образца остаются, испарения (перехода в газовую фазу), при котором твердые частицы превращаются в газообразную молекулу, распыления, при котором молекулы диссоциируются на свободные атомы, и происходит ионизация , при которой (в зависимости от потенциала ионизации атомов аналита и энергии, доступной в конкретном пламени) атомы могут частично превращаться в газообразные ионы.
Каждый из этих этапов включает в себя риск возникновения помех в случае, если степень фазового переноса аналита в калибровочном стандарте и в образце различна. Ионизация вообще нежелательна, так как она уменьшает количество атомов, доступных для измерения, т. е. чувствительность.
В пламенном ААС стабильный сигнал генерируется в течение периода времени, когда проба аспирируется. Этот метод обычно используется для определений в диапазоне мг/л и может быть расширен до нескольких мкг/ л для некоторых элементов.
Электротермическая ААС (ЭТ-ААС) с использованием атомайзеров с графитовыми трубками была впервые предложена Борисом Львовым в Санкт-Петербургском политехническом институте , Россия, [5] с конца 1950-х годов и параллельно исследовалась Гансом Массманом в Институте спектрохимии и прикладных технологий. Спектроскопия (ISAS) в Дортмунде, Германия. [6]
Хотя на протяжении многих лет использовались самые разнообразные конструкции графитовых трубок, их размеры в настоящее время обычно составляют 20–25 мм в длину и внутренний диаметр 5–6 мм. С помощью этого метода можно напрямую анализировать жидкие/растворенные, твердые и газообразные образцы. Измеренный объем (обычно 10–50 мкл) или взвешенная масса (обычно около 1 мг) твердого образца вводится в графитовую трубку и подвергается температурной программе. Обычно он состоит из таких этапов, как сушка – растворитель испаряется; пиролиз – удаляется большая часть компонентов матрицы; распыление – аналитический элемент переходит в газовую фазу; и очистка – возможные остатки в графитовой трубке удаляются при высокой температуре. [7]
Графитовые трубки нагреваются за счет их омического сопротивления с помощью низковольтного сильноточного источника питания; температуру на отдельных стадиях можно очень точно контролировать, а температурные изменения между отдельными стадиями облегчают разделение компонентов пробы. Трубы можно нагревать в поперечном или продольном направлении, причем преимуществом первых является более однородное распределение температуры по их длине. Так называемая концепция платформенной печи со стабилизированной температурой (STPF), предложенная Вальтером Славиным на основе исследований Бориса Львова, делает ЭТ ААС практически свободным от помех. [ нужна ссылка ] Основными компонентами этой концепции являются распыление образца с графитовой платформы, вставленной в графитовую трубку (платформа Львова), а не со стенки трубки, чтобы задержать распыление до тех пор, пока газовая фаза в распылителе не достигнет стабильная температура; использование химического модификатора для стабилизации аналита до температуры пиролиза, достаточной для удаления большинства компонентов матрицы; и интегрирование поглощения во времени сигнала переходного поглощения вместо использования пиковой высоты поглощения для количественного определения.
В ЭТ-ААС генерируется переходный сигнал, площадь которого прямо пропорциональна массе аналита (а не его концентрации), введенного в графитовую трубку. Преимущество этого метода заключается в том, что любой тип пробы, твердой, жидкой или газообразной, может быть проанализирован напрямую. Его чувствительность на 2–3 порядка выше, чем у пламенного ААС, поэтому определение в диапазоне низких мкг/л ( для типичного объема пробы 20 мкл) и в диапазоне нг / г (для типичной массы пробы 20 мкл) 1 мг). Он демонстрирует очень высокую степень свободы от помех, поэтому ET-ААС можно считать наиболее надежным методом, доступным в настоящее время для определения микроэлементов в сложных матрицах. [ нужна цитата ]
Хотя наиболее распространенными методами распыления являются пламенные и электротермические испарители, для специализированного использования используются несколько других методов распыления. [8] [9]
Устройство тлеющего разряда (УТ) служит универсальным источником, поскольку позволяет одновременно вводить и распылять образец. Тлеющий разряд возникает в атмосфере аргона низкого давления от 1 до 10 Торр. В этой атмосфере находится пара электродов, подающих постоянное напряжение от 250 до 1000 В для расщепления газообразного аргона на положительно заряженные ионы и электроны. Эти ионы под действием электрического поля ускоряются на поверхности катода, содержащего образец, бомбардируя образец и вызывая выброс нейтральных атомов образца посредством процесса, известного как распыление . Атомный пар, образующийся в результате этого разряда, состоит из ионов, атомов в основном состоянии и части возбужденных атомов. Когда возбужденные атомы возвращаются в свое основное состояние, излучается свечение низкой интенсивности, что и дало этому методу название.
Требование к образцам распылителей тлеющего разряда состоит в том, чтобы они были электрическими проводниками. Следовательно, распылители чаще всего используются при анализе металлов и других проводящих образцов. Однако при соответствующих модификациях его можно использовать для анализа жидких образцов, а также непроводящих материалов путем смешивания их с проводником (например, графитом).
Методы получения гидридов специализируются на растворах конкретных элементов. Методика позволяет вводить в распылитель в газовой фазе образцы, содержащие мышьяк, сурьму, селен, висмут и свинец. С помощью этих элементов распыление гидрида повышает пределы обнаружения в 10–100 раз по сравнению с альтернативными методами. Генерация гидрида происходит путем добавления подкисленного водного раствора образца к 1% водному раствору боргидрида натрия, который содержится в стеклянном сосуде. Летучий гидрид, образующийся в результате протекающей реакции, уносится инертным газом в камеру распыления, где он подвергается разложению. В результате этого процесса образуется атомизированная форма аналита, которую затем можно измерить с помощью абсорбционной или эмиссионной спектрометрии.
Метод холодного пара — это метод распыления, ограниченный только определением ртути, поскольку это единственный металлический элемент, имеющий большое давление паров при температуре окружающей среды. [ нужна цитация ] Из-за этого он имеет важное применение при определении органических соединений ртути в пробах и их распространении в окружающей среде. Метод начинается с превращения ртути в Hg 2+ путем окисления азотной и серной кислот с последующим восстановлением Hg 2+ хлоридом олова(II) . Затем ртуть попадает в длиннопроходную абсорбционную трубку путем барботирования потока инертного газа через реакционную смесь. Концентрацию определяют путем измерения оптической плотности этого газа при 253,7 нм. Пределы обнаружения этого метода находятся в диапазоне частей на миллиард, что делает его отличным методом распыления для обнаружения ртути.
Мы должны различать ААС с линейным источником (LS AAS) и AAS с непрерывным источником (CS AAS). В классической LS-ААС, как это было предложено Аланом Уолшем [10] , необходимое для измерений ААС высокое спектральное разрешение обеспечивается самим источником излучения, излучающим спектр аналита в виде линий, более узких, чем линия поглощения. линии. Источники непрерывного света, такие как дейтериевые лампы, используются только в целях коррекции фона. Преимущество этого метода состоит в том, что для измерения ААС необходим только монохроматор среднего разрешения; однако он имеет тот недостаток, что обычно для каждого определяемого элемента требуется отдельная лампа. В CS ААС, напротив, для всех элементов используется одна лампа, излучающая непрерывный спектр во всем интересующем спектральном диапазоне. Очевидно, что для этого метода необходим монохроматор высокого разрешения, о чем будет сказано позже.
Лампы с полым катодом (HCL) являются наиболее распространенным источником излучения в LS ААС. [ нужна цитация ] Внутри герметичной лампы, наполненной аргоном или неоном под низким давлением, находится цилиндрический металлический катод, содержащий интересующий элемент и анод. На анод и катод подается высокое напряжение, что приводит к ионизации наполняющего газа. Ионы газа ускоряются по направлению к катоду и при ударе о катод распыляют катодный материал, который возбуждается в тлеющем разряде и испускает излучение распыленного материала, т.е. интересующего элемента. В большинстве случаев используются одноэлементные лампы, у которых катод прессуется преимущественно из соединений целевого элемента. Многоэлементные лампы выпускаются с комбинациями соединений целевых элементов, запрессованных в катоде. Многоэлементные лампы обеспечивают немного меньшую чувствительность, чем одноэлементные лампы, и комбинации элементов необходимо выбирать тщательно, чтобы избежать спектральных помех. Большинство многоэлементных ламп сочетают в себе несколько элементов, например: 2–8. Атомно-абсорбционные спектрометры могут иметь всего 1–2 позиции лампы с полым катодом, а в автоматизированных многоэлементных спектрометрах обычно могут быть доступны 8–12 позиций лампы. .
Безэлектродные газоразрядные лампы (EDL) содержат небольшое количество аналита в виде металла или соли в кварцевой колбе вместе с инертным газом, обычно аргоном, при низком давлении. Лампа вставлена в катушку, которая генерирует электромагнитное радиочастотное поле, в результате чего в лампе возникает индуктивно-связанный разряд низкого давления. Излучение от EDL выше, чем от HCL, а ширина линии, как правило, уже, но для EDL требуется отдельный источник питания, и для стабилизации может потребоваться больше времени.
Дейтериевая гидрохлорид или даже водородная гидрохлорид и дейтериевые газоразрядные лампы используются в LS ААС для коррекции фона. [11] Интенсивность излучения, испускаемого этими лампами, значительно снижается с увеличением длины волны, поэтому их можно использовать только в диапазоне длин волн от 190 до примерно 320 нм.
Когда для ААС используется источник непрерывного излучения, необходимо использовать монохроматор высокого разрешения, о чем будет сказано позже. Кроме того, необходимо, чтобы лампа излучала излучение интенсивностью хотя бы на порядок выше, чем у типичного ГКЛ во всем диапазоне длин волн от 190 до 900 нм. Для выполнения этих требований была разработана специальная ксеноновая короткодуговая лампа высокого давления , работающая в режиме горячей точки.
Как уже указывалось выше, существует разница между спектрометрами среднего разрешения, которые используются для LS-ААС, и спектрометрами высокого разрешения, предназначенными для CS-ААС. Спектрометр включает в себя устройство спектральной сортировки (монохроматор) и детектор.
В LS-ААС высокое разрешение, необходимое для измерения атомной абсорбции, обеспечивается за счет узкой линии излучения источника излучения, и монохроматору просто приходится отделять аналитическую линию от другого излучения, испускаемого лампой. [ нужна ссылка ] Обычно этого можно добиться с помощью полосы пропускания от 0,2 до 2 нм, то есть с помощью монохроматора среднего разрешения. Еще одной особенностью, делающей элемент LS AAS специфичным, является модуляция первичного излучения и использование селективного усилителя, настроенного на ту же частоту модуляции, как уже постулировал Алан Уолш. Таким образом можно исключить любое (немодулированное) излучение, испускаемое, например, распылителем, что крайне важно для LS AAS. Для LS-ААС обычно используются простые монохроматоры конструкции Литтроу или (лучше) Черни-Тернера. Фотоумножительные трубки являются наиболее часто используемыми детекторами в LS-ААС, хотя твердотельные детекторы могут быть предпочтительнее из-за их лучшего соотношения сигнал/шум .
При использовании источника непрерывного излучения для измерения ААС необходимо работать с монохроматором высокого разрешения. Разрешение должно быть равно или лучше полуширины линии атомного поглощения (около 2 пм), чтобы избежать потери чувствительности и линейности калибровочного графика. Исследования с использованием CS-ААС высокого разрешения (HR) были инициированы группами О'Хейвера и Харнли в США, которые также разработали (до сих пор) единственный многоэлементный спектрометр одновременного действия для этого метода. Однако прорыв произошел, когда группа Беккера-Росса в Берлине (Германия) построила спектрометр, полностью предназначенный для ААС HR-CS. Первое коммерческое оборудование для ААС HR-CS было представлено компанией Analytik Jena (Йена, Германия) в начале XXI века на основе конструкции, предложенной Беккером-Россом и Флореком. В этих спектрометрах используется компактный двойной монохроматор с призменным предмонохроматором и монохроматором с эшелле-решеткой для высокого разрешения. В качестве детектора используется линейная матрица устройств с зарядовой связью (ПЗС) размером 200 пикселей. Второй монохроматор не имеет выходной щели; следовательно, спектральная среда по обе стороны аналитической линии становится видимой с высоким разрешением. Поскольку для измерения атомного поглощения обычно используются только 3–5 пикселей, остальные пиксели доступны для целей коррекции. Одна из этих поправок касается мерцания лампы, которая не зависит от длины волны, что приводит к измерениям с очень низким уровнем шума; другие поправки относятся к фоновому поглощению, как будет обсуждаться позже.
Относительно небольшое количество атомных линий поглощения (по сравнению с атомными эмиссионными линиями) и их малая ширина (несколько мкм) делают спектральное перекрытие редким; известно лишь несколько примеров того, что линия поглощения одного элемента перекрывается с другим. [ нужна цитата ] Молекулярное поглощение, напротив, гораздо шире, так что более вероятно, что некоторая полоса молекулярного поглощения будет перекрываться с атомной линией. Такого рода поглощение может быть вызвано недиссоциировавшими молекулами сопутствующих элементов образца или газами пламени. Мы должны различать спектры двухатомных молекул, которые демонстрируют выраженную тонкую структуру, и спектры более крупных (обычно трехатомных) молекул, которые не имеют такой тонкой структуры. Другим источником фонового поглощения, особенно в ЭТ-ААС, является рассеяние первичного излучения на частицах, образующихся на стадии атомизации, когда матрица не может быть удалена в достаточной степени на стадии пиролиза.
Все эти явления, молекулярное поглощение и рассеяние излучения, могут привести к искусственно завышенному поглощению и ненадлежащему (ошибочному) расчету концентрации или массы аналита в образце. Существует несколько методов коррекции фонового поглощения, и они существенно различаются для ААС LS и ААС HR-CS.
В ЛС ААС фоновое поглощение можно корректировать только инструментальными методами, и все они основаны на двух последовательных измерениях: [12] во-первых, полное поглощение (атомное плюс фон), во-вторых, только фоновое поглощение. Разница двух измерений дает чистую атомную абсорбцию. Из-за этого, а также из-за использования дополнительных устройств в спектрометре отношение сигнал/шум сигналов с фоновой коррекцией всегда значительно хуже по сравнению с некорректированными сигналами. Следует также отметить, что в LS-ААС нет возможности исправить (редкий случай) прямое перекрытие двух атомных линий. По сути, в LS AAS используются три метода коррекции фона:
Это самый старый и до сих пор наиболее часто используемый метод, особенно для пламенного ААС. В этом случае для измерения фонового поглощения по всей ширине выходной щели спектрометра используется отдельный источник (дейтериевая лампа) с широким излучением. Использование отдельной лампы делает этот метод наименее точным, поскольку он не может корректировать любой структурированный фон. Его также нельзя использовать на длинах волн выше примерно 320 нм, поскольку интенсивность излучения дейтериевой лампы становится очень слабой. Использование гидрохлорида дейтерия предпочтительнее дуговой лампы из-за лучшего соответствия изображения первой лампы изображению гидрохлорида аналита.
Этот метод (названный в честь изобретателей) основан на уширении линий и самоинверсии эмиссионных линий HCL при подаче сильного тока. Полное поглощение измеряется при нормальном токе лампы, т. е. при узкой линии излучения, и фоновое поглощение после подачи сильноточного импульса с профилем самообращающейся линии, которое имеет малое излучение на исходной длине волны, но сильное излучение. по обе стороны аналитической линии. Преимущество этого метода в том, что используется только один источник излучения; Среди недостатков - то, что сильноточные импульсы сокращают срок службы лампы и что этот метод можно использовать только для относительно энергозависимых элементов, поскольку только те из них обладают достаточным самореверсом, чтобы избежать резкой потери чувствительности. Другая проблема заключается в том, что фон не измеряется на той же длине волны, что и полное поглощение, что делает этот метод непригодным для коррекции структурированного фона.
Переменное магнитное поле прикладывается к распылителю (графитовой печи) для разделения линии поглощения на три компонента: компонент π, который остается в том же положении, что и исходная линия поглощения, и два компонента σ, которые перемещаются выше и ниже. длины волн соответственно. [ нужна ссылка ] Полное поглощение измеряется без магнитного поля и фоновое поглощение с включенным магнитным полем. В этом случае компонент π необходимо удалить, например, с помощью поляризатора, а компоненты σ не перекрываются с профилем излучения лампы, так что измеряется только фоновое поглощение. Преимущества этого метода заключаются в том, что общее и фоновое поглощение измеряются с одним и тем же профилем излучения одной и той же лампы, поэтому любой тип фона, включая фон с тонкой структурой, может быть точно скорректирован, если только молекула, ответственная за фон, не затрагивается. магнитным полем и использование прерывателя в качестве поляризатора снижает соотношение сигнал/шум. А недостатками являются повышенная сложность спектрометра и источника питания, необходимого для работы мощного магнита, необходимого для расщепления линии поглощения.
В HR-CS ААС коррекция фона осуществляется математически в программном обеспечении с использованием информации от пикселей детектора, которые не используются для измерения атомной абсорбции; следовательно, в отличие от LS-ААС, для коррекции фона не требуется никаких дополнительных компонентов.
Уже упоминалось, что в ААС лампы HR-CS шум от мерцания устраняется с помощью корректирующих пикселей. Фактически любое увеличение или уменьшение интенсивности излучения, наблюдаемое в одинаковой степени на всех выбранных для коррекции пикселях, устраняется алгоритмом коррекции. [ нужна цитация ] Сюда, очевидно, также входит снижение измеренной интенсивности из-за рассеяния излучения или молекулярного поглощения, которое корректируется таким же образом. Поскольку измерение общего и фонового поглощения, а также коррекция последнего происходят строго одновременно (в отличие от LS-ААС), даже самые быстрые изменения фонового поглощения, которые можно наблюдать в ЭТ-ААС, не вызывают никаких проблем. Кроме того, поскольку для коррекции фона и устранения шума лампы используется один и тот же алгоритм, сигналы с коррекцией фона показывают гораздо лучшее соотношение сигнал/шум по сравнению с неоткорректированными сигналами, что также отличается от LS AAS.
Очевидно, что описанный выше метод не может корректировать фон с тонкой структурой, поскольку в этом случае поглощение будет разным в каждом из пикселей коррекции. В этом случае ААС HR-CS предлагает возможность измерить корректирующие спектры молекулы(ов), ответственных(ых) за фон, и сохранить их в компьютере. Затем эти спектры умножаются на коэффициент, соответствующий интенсивности спектра образца, и вычитаются пиксель за пикселем и спектр за спектром из спектра образца с использованием алгоритма наименьших квадратов. Это может показаться сложным, но, во-первых, количество двухатомных молекул, которые могут существовать при температурах атомайзеров, используемых в ААС, относительно невелико, а во-вторых, коррекция выполняется компьютером в течение нескольких секунд. Тот же алгоритм на самом деле можно использовать для коррекции прямого перекрытия двух линий атомного поглощения, что делает ААС HR-CS единственным методом ААС, который может корректировать такого рода спектральную интерференцию.
СМИ, связанные с атомно-абсорбционной спектроскопией, на Викискладе?