Az atomabszorpciós spektrometria ( AAS ) az analitikai kémiában elterjedt kvantitatív elemanalízis műszeres módszere (az atomabszorpció-meghatározás modern módszerei lehetővé teszik a periódusos rendszer közel 70 elemének tartalmának meghatározását ) atomabszorpciós spektrummal ( abszorpció meghatározására). a fémek mennyisége sóik oldatában : természetes és szennyvizekben , ásványos oldatokban , technológiai és egyéb oldatokban [1] [2] [3] .
Az AAS műszere egy atomabszorpciós spektrométer , melynek fő elemei egy fényforrás , egy porlasztó , egy spektrális eszköz és egy elektronikus rendszer. A minta elemtartalmának meghatározása az analitikai jel és a kalibráló oldatban lévő elem koncentrációja közötti , kísérletileg megállapított funkcionális összefüggés alapján történik .
A 19. század elején William Wollaston angol orvos és vegyész , majd Joseph Fraunhofer német fizikus fedezte fel először az atomok spektrális abszorpciós vonalait a Nap spektrumának tanulmányozása során . Az atomabszorpciós és emissziós spektrumok típusai és a felmelegített gáz kémiai összetétele közötti összefüggést Robert Bunsen és Gustav Kirchhoff német tudósok állapították meg 1859-1861-ben. Azóta az atomok emissziós ( emissziós ) spektrumát széles körben alkalmazzák a PSCE -elemek minőségi és mennyiségi meghatározására különböző összetételű és aggregáltsági állapotú mintákban. Az atomok abszorpciós (abszorpciós) spektrumait az 1930-as és 1940-es évektől kezdték használni analitikai célokra a csillagok atmoszférájának egyes elemeinek azonosítására, valamint különböző minták és beltéri atmoszférák higanytartalmának meghatározására , de nem terjedtek el széles körben. amiatt, hogy nem volt kényelmes és nagyon érzékeny mérőáramkör [3] .
Alan Walsh brit-ausztrál fizikus 1955 - ben egy egyszerű és könnyen megvalósítható módszert javasolt az acetilén - levegő lángba permetezett oldatok elemtartalmának mennyiségi meghatározására speciális szelektív lámpák atomvonali sugárzásának elnyelésével. Ez a módszer, amely az atomabszorpciós spektrometria analitikai módszerének alapját képezi, előre meghatározta a módszer jövőbeni fejlesztését [3] . 1962 - ben a Walsh által alapított Techtron cég elkészítette a világ első sorozatban gyártott AA-2 atomabszorpciós spektrométerét [4] . Eleinte a láng porlasztóként szolgált , de az 1960-as években Boris Lvov és Hans Massman egy grafitkemencét javasoltak , amelyet később iparilag gyártottak az AAS számára [5] .
Atomabszorpciós elemzési eszközök - atomabszorpciós spektrométerek. Ezek precíziós, nagymértékben automatizált eszközök, amelyek biztosítják a mérési feltételek reprodukálhatóságát, a minták automatikus bevezetését és a mérési eredmények regisztrálását [6] .
Ennek az eszköznek a fő elemei a következők: fényforrás, amely az analit jellegzetes keskeny spektrumvonalát bocsátja ki; porlasztó egy adott anyag atomi gőzzé alakítására; egy anyag jellemző analitikai vonalának elkülönítésére szolgáló spektrális eszköz, valamint egy analitikai abszorpciós jel detektálásához, erősítéséhez és feldolgozásához szükséges elektronikus rendszer [3] .
A mintában lévő elemtartalom meghatározását az analitikai jel (abszorpció, optikai sűrűség ) és a referenciamintában lévő elem koncentrációja közötti, kísérletileg megállapított funkcionális összefüggés ( kalibrációs függvény ) segítségével végezzük . A kalibrációs függvény lehet matematikai képlet vagy grafikon [3] .
Az atomabszorpciós spektrometriában használt sugárforrásokkal szemben támasztott fő követelmények a szűk sáv, a nagy frekvencia- és intenzitásstabilitás, a rezonanciavonalak nagy intenzitása, az alacsony zajszint, a folyamatos háttérsugárzás hiánya, a spektrális átfedések hiánya a rezonanciavonalon és ennek jelentéktelensége. önelnyelés, a működési mód létrehozásának minimális ideje és az izzótest minimális mérete (a készülék szűk analitikai zónákban történő fókuszálásához) [3] .
Többféle fényforrás létezik. A leggyakrabban üreges katódlámpákat , elektróda nélküli lámpákat és hangolható lézereket használnak [7] .
Az üreges katód lámpa egy hengeres üreges katódból áll, amely mellett egy volfrámhuzal - anód található . Maga a lámpa egy hengeres üvegtartály, amely inert gázzal van megtöltve . A lámpa katódja az elemzés során meghatározott elemből vagy annak ötvözetéből készül. Ennek eredményeként kisugárzik a kívánt hullámhosszúságú fény, amelyet a porlasztóban elnyelnek a meghatározandó elem atomjai [8] . A legnagyobb hullámhosszt a Cs vonal határozza meg - 852 nm, a legkisebb - az As vonal - 193,7 nm; rövidebb hullámhosszakat nem használnak az atomabszorpciós elemzésben, mivel erős a légköri oxigén abszorpciója [7] .
Az elektróda nélküli lámpa belsejében erős elektromágneses mezőt hoznak létre egy tekercs segítségével, amelyen nagyfrekvenciás áram halad át . Ebbe a mezőbe helyezünk egy kis kvarc ampullát, amely az analit illékony vegyületét tartalmazza. Működési elve hasonló az üregkatódos lámpáéhoz. Az ilyen típusú fényforrások fő hátránya egy további tápegység szükségessége - egy nagyfrekvenciás generátor [7] .
A hangolható lézereket 1974 óta használják sugárforrásként. Alkalmazásuk lehetővé teszi a nagy lámpakészlet nélkül is, hiszen egy ilyen lézer minden elemhez használható, de magas költsége megakadályozza széleskörű alkalmazását [7] .
Az atomabszorpciós elemzési módszer az optikai sugárzás szabad atomok általi elnyelésén alapul. Tekintettel arra, hogy a vegyértékelektronok energiáinak megfelelő optikai tartományban a szabad atomok és a többatomos részecskék eltérő spektrumot adnak. Ezért az AA-meghatározások legfontosabb előfeltétele a meghatározandó anyag atomi gőzzé alakulása . Ehhez magas hőmérsékletű forrást használnak - porlasztót [9] .
Két fő porlasztási módszert használnak széles körben a gyakorlatban [9] :
A lángporlasztást az jellemzi, hogy a láng magas hőmérséklet forrásaként szolgál. A porlasztó egy égő, amelybe folyamatosan oxidálószerekkel kevert éghető gázokat vezetnek be. Az elemzett oldatot szórófej segítségével a porlasztóba vezetjük. Az atomabszorpcióban a legelterjedtebbek a következő összetételű keverékek: [9]
A levegő-acetilén lángot alkáli- és alkáliföldfémek , valamint Cr , Fe , Co , Ni , Mg , Mo , Sr és nemesfémek meghatározására használják . Egy ilyen láng nagy átlátszósággal rendelkezik a 200 nm-nél nagyobb hullámhossz-tartományban, alacsony önkibocsátással és több mint 30 elem porlasztásának nagy hatékonyságát biztosítja. Csak az alkálifémek részben ionizálódnak benne. Az acetilén és a nitrogén-oxid (I) lángja sokkal magasabb hőmérsékletű, mivel a dinitrogén-oxid termodinamikailag instabil vegyület. Lángban gyorsan lebomlik, jelentős többletenergia szabadul fel, míg a levegő-acetilén keverék égése során a hő egy része a nitrogén láng hőmérsékletére való melegítésére fordítódik. Az acetilén és az N 2 O lángja nagyon átlátszó az atomabszorpciós elemzésben használt teljes hullámhossz-tartományban (190-850 nm). Fő hátránya az erős belső fény és számos elem nagyfokú ionizációja. Ez a kétféle láng együttesen mintegy 70 elem meghatározását teszi lehetővé, míg más típusú gázkeverékek szűkebb alkalmazási körrel rendelkeznek. Például a levegő- propán lángot általában csak alkálifémek, Cd , Cu , Ag és Zn meghatározására használják [10] .
Az elektrotermikus porlasztás módszerét Borisz Lvov dolgozta ki, aki 1959-ben megtervezte az első lángmentes porlasztót, egy grafitcellát , és 1961-ben közölt adatokat analitikai képességeiről. Ezt a módszert az jellemzi, hogy porlasztóként egy grafit kemence (50 mm hosszú, 4-5 mm belső átmérőjű cső) szolgál, amelyet erős elektromos áram fűt . A vizsgálandó anyagot a grafitelektróda homlokfelületére vezetjük, amely a lerakódott csepp megszárítása után a falában lévő kúpos lyukon keresztül az előmelegített grafitkemencébe kerül. Az elektróda és a cső érintkezésének pillanatában az elektródát az elektróda külső vége között meggyújtott erős ívkisülés melegíti fel, a kemencébe helyezett mintával és a segédelektródával. Ennek eredményeként az anyag hatékony porlasztása megy végbe a kemencében. A grafit gyors kiégésének megakadályozása érdekében a csövet inert gáz ( nagy tisztaságú argon ) atmoszférába helyezik. Később Hans Massman leegyszerűsítette a grafit kemence kialakítását: grafitcső porlasztója egy 40 mm hosszú, 6 mm belső átmérőjű és legfeljebb 1,5 mm falvastagságú henger, mindkét végén és középen nyitott. a porlasztón van egy lyuk az analit bevezetésére [9] [10] .
Az alapvető különbség a Lvov-féle grafitküvetta és a Massman-kemencé között, hogy a Lvov-féle konstrukcióban az anyag párologtatása egy próbaelektródáról egy már a szükséges hőmérsékletre felmelegített üregbe történik, míg a Massman-kemencében a minta a falra kerül. egy hideg csőből, és ezt követő párolgása falhőmérsékletként megy végbe. Ez az 1970-es években bizonyos válsághoz vezetett az elektrotermikus porlasztók használatában. A minták összetételének a meghatározások eredményeire gyakorolt erős befolyása miatt a Massman grafitkemencével egyértelműen ez a hátrány kiküszöbölésére vagy gyengítésére irányult. 1977-ben azonban Boris Lvov továbbfejlesztette a grafitkemencét. Új kialakításában a mintákat egy platformról párologtatták be a sütőbe, amelyet "Lvov platformnak" neveztek [10] . A lángmentes porlasztási eljárás maximális üzemi hőmérséklete 2600-2700 °C [9] .
Az atomabszorpciós spektrometriát legszélesebb körben folyékony anyagokkal való munkára fejlesztették ki. Ennek alapján a következő műveleteket hajtjuk végre az elemzéshez [3] :
Az atomabszorpciós spektrometria módszereit szinte minden műszaki vagy természeti objektum elemzésénél alkalmazzák. Az AA-meghatározás modern módszerei a periódusos rendszer közel 70 elemének tartalmának meghatározását teszik lehetővé. A műszaki tárgyak közül az atomabszorpciós spektrometria elemzi a fémeket, ötvözeteket , az ércek hidrometallurgiai feldolgozásának termékeit stb. Például az ezüst, az ólom és a réz tartalmát aranyban, talajban , műtrágyákban , növényekben - cinkben, vasban, magnéziumban, rézben és más elemekben - határozzák meg. Ezt a módszert gyakran használják klinikai és különféle biológiai elemzésekben ( vér , vérszérum és mások) ólom, higany és bizmut meghatározására [11] .