Atomabsorptionsspektrometri ( AAS ) är en instrumentell metod för kvantitativ elementaranalys som är vanlig inom analytisk kemi (moderna metoder för atomabsorptionsbestämning gör det möjligt att bestämma innehållet av nästan 70 element i det periodiska systemet ) genom atomabsorptionsspektra ( absorption ) för att bestämma innehållet av metaller i lösningar av deras salter : i naturliga vatten och avloppsvatten , i mineraliserade lösningar , tekniska och andra lösningar [1] [2] [3] .
Instrumentet för AAS är en atomabsorptionsspektrometer , vars huvudelement är en ljuskälla , en atomizer , en spektralenhet och ett elektroniskt system. Bestämning av innehållet av grundämnet i provet utförs med hjälp av det experimentellt fastställda funktionsförhållandet mellan analyssignalen och koncentrationen av grundämnet i kalibreringslösningen .
För första gången upptäcktes spektrala absorptionslinjer för atomer när man studerade solens spektrum i början av 1800-talet av den engelske läkaren och kemisten William Wollaston , och sedan av den tyske fysikern Joseph Fraunhofer . Sambandet mellan typerna av atomabsorptions- och emissionsspektra och den uppvärmda gasens kemiska sammansättning fastställdes av de tyska forskarna Robert Bunsen och Gustav Kirchhoff 1859-1861. Sedan dess har emissionsspektra för atomer använts i stor utsträckning vid kvalitativ och kvantitativ bestämning av PSCE - element i prover med olika sammansättning och aggregationstillstånd. Absorptions(absorptions)spektra av atomer började användas i analytiska syften från 1930-1940-talet för att identifiera vissa grundämnen i stjärnors atmosfärer, samt för att bestämma kvicksilverhalten i olika prover och inomhusatmosfärer, men de användes inte i stor utsträckning på grund av att det inte fanns någon bekväm och mycket känslig mätkrets [3] .
1955 föreslog den brittisk-australiska fysikern Alan Walsh en enkel och lättimplementerad metod för kvantitativ bestämning av innehållet av grundämnen i lösningar som sprutades in i en acetylen - luftflamma genom att absorbera atomlinjestrålning från speciella selektiva lampor. Denna metod, som ligger till grund för den analytiska metoden för atomabsorptionsspektrometri, förutbestämde utvecklingen av metoden i framtiden [3] . År 1962 producerade Techtron -företaget som grundades av Walsh världens första masstillverkade AA-2 atomabsorptionsspektrometer [4] . Till en början fungerade en låga som en atomizer , men på 1960 -talet föreslog Boris Lvov och Hans Massman att använda en grafitugn , som senare började tillverkas industriellt för AAS [5] .
Instrument för atomabsorptionsanalys - atomabsorptionsspektrometrar. De är högautomatiserade precisionsenheter som ger reproducerbarhet av mätförhållanden, automatisk introduktion av prover och registrering av mätresultat [6] .
Huvudelementen i denna anordning är: en ljuskälla som avger en karakteristisk smal spektrallinje av analyten; en atomizer för att omvandla en given substans till atomånga; en spektral anordning för att isolera en karakteristisk analytisk linje av ett ämne och ett elektroniskt system som är nödvändigt för att detektera, förstärka och bearbeta en analytisk absorptionssignal [3] .
Bestämning av innehållet av grundämnet i provet utförs med hjälp av det experimentellt etablerade funktionsförhållandet ( kalibreringsfunktion ) mellan den analytiska signalen (absorption, optisk densitet ) och koncentrationen av grundämnet i jämförelseprovet. Kalibreringsfunktionen kan vara antingen en matematisk formel eller en graf [3] .
Huvudkraven för strålkällor som används i atomabsorptionsspektrometri är deras smala band, höga stabilitet i frekvens och intensitet, hög intensitet av resonanslinjer, låg brusnivå, frånvaro av kontinuerlig bakgrundsstrålning, frånvaro av spektrala överlappningar på resonanslinjen och dess obetydliga självabsorption, minimum etableringstiden för driftläge och glödkroppens minsta storlek (för att fokusera enheten i smala analyszoner) [3] .
Det finns flera typer av ljuskällor. Ihåliga katodlampor , elektrodlösa lampor och avstämbara lasrar används oftast [7] .
En ihålig katodlampa består av en cylindrisk ihålig katod , bredvid vilken en volframtråd - en anod . Själva lampan är en cylindrisk glasbehållare som är fylld med en inert gas . Lampans katod är gjord av elementet eller dess legering som bestäms under analysen. Ljuset av den erforderliga våglängden, som absorberas i atomizern av atomerna i det element som bestäms, utstrålas som ett resultat [8] . Den största våglängden bestäms av Cs -linjen - 852 nm, den minsta - av As -linjen - 193,7 nm; kortare våglängder används inte i atomabsorptionsanalys på grund av deras starka absorption av atmosfäriskt syre [7] .
Inuti den elektrodlösa lampan skapas ett starkt elektromagnetiskt fält med hjälp av en spole genom vilken en högfrekvent ström passerar . En liten kvartsampull innehållande en flyktig förening av analyten placeras i detta fält. Funktionsprincipen liknar den för en ihålig katodlampa. Den största nackdelen med denna typ av ljuskälla är behovet av en extra enhet för strömförsörjning - en högfrekvensgenerator [7] .
Avstämbara lasrar har använts som strålningskällor sedan 1974. Deras användning gör det möjligt att klara sig utan en stor uppsättning lampor, eftersom en sådan laser kan användas för alla element, men dess höga kostnad förhindrar dess utbredda användning [7] .
Analysmetoden för atomabsorption är baserad på absorption av optisk strålning av fria atomer. På grund av det faktum att i det optiska området som motsvarar energierna hos valenselektroner ger fria atomer och polyatomära partiklar olika spektra. Därför är den viktigaste förutsättningen för AA-bestämningar omvandlingen av ämnet som bestäms till atomånga . För detta används en källa för hög temperatur - en finfördelare [9] .
Det finns två huvudsakliga atomiseringsmetoder som ofta används i praktiken [9] :
Flamfinfördelning kännetecknas av det faktum att en låga fungerar som en källa till hög temperatur. Finfördelaren är en brännare i vilken brännbara gaser blandade med oxidationsmedel kontinuerligt tillförs. Den analyserade lösningen matas in i finfördelaren med hjälp av ett spraymunstycke. De vanligaste vid atomabsorption är följande sammansättningar av blandningar: [9]
Luftacetylenflamma används för att bestämma alkali- och jordalkalimetaller , samt Cr , Fe , Co , Ni , Mg , Mo , Sr och ädelmetaller . En sådan låga har hög transparens i våglängdsområdet över 200 nm, låg självemission och ger en hög atomiseringseffektivitet av mer än 30 element. Endast alkalimetaller är delvis joniserade i den. Lågan av acetylen och kväveoxid (I) har en mycket högre temperatur, eftersom dikväveoxid är en termodynamiskt instabil förening. I en låga sönderdelas den snabbt och frigör betydande extra energi, medan en del av värmen under förbränningen av en luft-acetylenblandning går åt till att värma upp kväve till lågans temperatur. Lågan av acetylen och N 2 O är mycket transparent över hela våglängdsområdet som används vid atomabsorptionsanalys (190–850 nm). Dess främsta nackdelar är en stark inneboende glöd och en hög grad av jonisering av ett antal element. Dessa två typer av lågor gör det tillsammans möjligt att bestämma cirka 70 grundämnen, medan andra typer av gasblandningar har en snävare tillämpning. Till exempel används en luftpropanlåga som regel endast för bestämning av alkalimetaller, Cd , Cu , Ag och Zn [10] .
Metoden för elektrotermisk atomisering utvecklades av Boris Lvov, som 1959 designade den första flamlösa atomizern, en grafitcell , och 1961 publicerade data om dess analytiska kapacitet. Denna metod kännetecknas av det faktum att en grafitugn (ett rör 50 mm långt och en innerdiameter på 4–5 mm) fungerar som en finfördelare, som värms upp av en hög elektrisk ström . Analyten införs till grafitelektrodens ändyta, som efter torkning av den avsatta droppen matas in i den förvärmda grafitugnen genom ett koniskt hål i dess vägg. Vid ögonblicket av kontakt mellan elektroden och röret, värms elektroden dessutom upp av en kraftig ljusbågsurladdning som antänds mellan den yttre änden av elektroden med provet infört i ugnen och hjälpelektroden. Som ett resultat sker en effektiv finfördelning av ämnet inuti ugnen. För att förhindra snabb utbränning av grafiten placeras röret i en atmosfär av inert gas ( argon med hög renhet ). Senare förenklade Hans Massman konstruktionen av grafitugnen: hans rörformiga atomizer av grafit är en cylinder 40 mm lång, med en innerdiameter på 6 mm och en väggtjocklek på högst 1,5 mm, öppen i båda ändar och i mitten i atomizern finns ett hål för införande av analyten [9] [10] .
Den grundläggande skillnaden mellan Lvovs grafitkyvett och Massmans ugn är att i Lvovs design utförs förångningen av ett ämne från en dummyelektrod in i ett hålrum som redan är uppvärmt till den önskade temperaturen, medan provet i Massmans ugn placeras på väggen. av ett kallt rör, och dess efterföljande avdunstning sker som väggtemperaturer. Detta ledde till en viss kris i användningen av elektrotermiska atomizers på 1970-talet. På grund av det starka inflytandet av provsammansättningen på resultaten av bestämningar, vid användning av Massman-grafitugnen, fanns det en tydlig tendens att eliminera eller försvaga denna nackdel. Men 1977 förbättrade Boris Lvov grafitugnen. I hans nya design förångades prover in i ugnen från en plattform, som kallades "Lvov-plattformen" [10] . Den maximala driftstemperaturen för den flamfria atomiseringsmetoden ligger i intervallet från 2600 till 2700 °C [9] .
Atomabsorptionsspektrometri är mest utvecklad för att arbeta med flytande ämnen. Baserat på detta utförs följande operationer för analysen [3] :
Metoder för atomabsorptionsspektrometri används vid analys av nästan alla tekniska eller naturliga föremål. Moderna metoder för AA-bestämning gör det möjligt att bestämma innehållet i nästan 70 element i det periodiska systemet. Av de tekniska föremålen analyserar atomabsorptionsspektrometri metaller, legeringar , produkter från hydrometallurgisk bearbetning av malmer och så vidare. Till exempel bestäms innehållet av silver, bly och koppar i guld, i jordar , gödningsmedel , växter - zink, järn, magnesium, koppar och andra element. Denna metod används ofta i kliniska och olika biologiska analyser ( blod , blodserum och andra) för bestämning av bly, kvicksilver och vismut [11] .