Атомно-абсорбционный метод

Метод атомно-абсорбционного анализа основан на свойстве атомов металлов поглощать в основном состоянии свет определенных длин волн, который они испускают в возбужденном состоянии. Необходимую для поглощения резонансную линию чаше всего получают от лампы с полым катодом, изготовленным из определяемого элемента.

В абсорбционных методах измеряется ослабление светового потока, связанного с поглощением кванта и переходом атома на возбужденный уровень:

М+hν М^*

На приемник излучения поступает световой поток, излучаемый специальным источником, интенсивность которого ослабевает при прохождении через атомный пар (рис.1):

Рисунок 1 – Поглощение энергии электромагнитного излучения атомным паром

Пропускание – это доля излучения, прошедшего через объект, его выражают в относительных единицах или процентах:

Т=I/I₀ или Т%= I/I₀*100%

Оптическая плотность A – это отрицательный логарифм пропускания:

А= -lg I/I₀ = -lg T= 2 – lgT%

В соответствии с основным законом светопоглощения (закон Бугера –

Ламберта – Бера) величина оптической плотности линейно связана с концентрацией поглощающих C частиц и толщиной поглощающего слоя l:

A=klC

Коэффициент поглощения k в ААС является эмпирической величиной, зависит от многих факторов и остается постоянным только в определенных условиях.

Уолш сформулировал два правила, соблюдение которых необходимо для измерения сигнала атомной абсорбции:

1) Длина волны максимального поглощения атомного пара должна быть равна длине волны максимальной интенсивности излучения источника.

2) Ширина спектральной линии поглощения атомных паров должна быть, по крайней мере, в два раза больше ширины линии испускания источника.

В качестве источника излучения используют чаще лампу с полым катодом (ЛСП), которая состоит из двух металлических электродов, которые впаяны в стеклянный баллон с кварцевым торцевым окном (рис.2):

Рисунок 2 – Устройство ЛСП

Анодом служит вольфрамовая проволочка. Катод представляет собой

металлический полый цилиндр, открытый с одной стороны. Внутренние стенки катода покрыты слоем определяемого элемента. Лампа заполнена инертным газом – аргоном или неоном, давление внутри лампы пониженное – около 3 мм рт. ст. Если между электродами создать напряжение порядка 300 - 600 В, атомы инертного газа ионизируются, и в лампе возникает тлеющий разряд. Положительно заряженные ионы инертного газа ускоряются под действием электрического поля и бомбардируют поверхность катода, инициируя испарение атомов с поверхности катода и образование тонкого слоя атомного пара. Последующие столкновения переводят атомы в возбужденные состояния, в результате чего вблизи поверхности катода возникает характерное свечение, спектр которого состоит из линий элемента, которым покрыт катод, а также линий инертного газа, что можно увидеть на рис.3

Рисунок 3 – процессы вблизи поверхности катода ЛСП

Блок-схема атомно-абсорбционного спектрофотометра приведена на рис.4

Рисунок 4 – блок-схема атомно-абсорбционного спектрофотометра, где 1 - источник питания; 2- лампа с полым катодом: 3- пламя (зона атомизации); 4- монохроматор; 5 - фотоумножитель; 6 - усилители; 7 - гальванометр; 8 - распылитель;9-анализируемый раствор

Анализируемый раствор 9, приготовленный из пробы пищевого продукта, озоленной до минеральных элементов, в виде аэрозоля из распылителя 8 вводят в пламя горелки 3 (пламя ацетилен-воздух, температура от 2000 до 3000 К, оптимальная высота для воздушно-ацетиленового пламени 5 - 13 мм.). В пламени происходит испарение растворителя, термическая диссоциация молекул и образование свободных атомов, которые могут поглощать излучение внешнего источника света 2.

Световой поток от лампы проходит через пламя горелки 3 и монохроматор 4. Монохроматор выделяет узкую спектральную линию (обычно 0,2 - 2,0 нм), в которой находится измеряемая спектральная линия определяемого элемента. Атомы исследуемого элемента поглощают световой поток лампы. Выходящий световой поток с помощью фотоумножителя 5 превращается в электрический сигнал и после усилителя 6 регистрируется гальванометром 7 или ПК.

Перед введением в спектрофотометр раствора исследуемого вещества, сначала вводят в пламя нулевой стандарт, устанавливают показания прибора на нуль, затем распыляют калибровочные растворы со строго известной концентрацией определяемого вещества. Распыляют калибровочные растворы разной концентрации в порядке возрастания, снимаются каждый раз показания, по этим показаниям далее, при введении исследуемого раствора, компьютер сам рассчитает концентрацию вещества либо вручную строится калибровочный график в координатах зависимости оптической плотности (абсорбции) (А), от концентрации калибровочного раствора (С), рис.5:

Рисунок 5 – Пример калибровочного графика

Обработка результатов:

Массовую долю ртути в пробе рассчитывают по формуле:

(мг/кг),

где a – масса ртути в алеквоте раствора пробы, подвергнутой спектрометрическому анализу, нг;

V – объем, до которого доведен минерализат перед проведением испытания, см³;

V₁ – объем аликвоты раствора пробы, подвергнутой спектрометическому анализу, см³;

m – масса навески пробы, г.

Массовую долю элемента (кадмий, свинец, мышьяк) в пробе рассчитывают по формуле:

(мг/кг),

где c_X – концентрация элемента в испытуемом растворе, мкг/см³;

c_K – среднеарифметическое значение концентрации элемента для параллельных контрольных растворов, мкг/см³;

Y – исходный объем испытуемого раствора, см³;

P – навеска пробы, г;

K – коэффициент разбавления.