Пламенная эмиссионная фотометрия

В эмиссионном спектральном анализе используются пламенные, электродуговые, искровые и другие атомизаторы, но наиболее широкое применение получили пламенные атомизаторы. Они отличаются высокой стабильностью горения и возможностью регулирования температуры путем изменения состава сгорающей газовой смеси.

Пламенную эмиссию используют чаще всего для количественного определения элементов, входящих в состав растворов. Она широко используется для измерения лития (Li), натрия (Na) и калия (К), кальция (Са) в жидкостях организма. Этот принцип, также называемый пламенной эмиссионной фотометрией, может применяться для измерения более 60 элементов. Однако он главным образом используется для определения щелочных металлов, для возбуждения которых достаточна низкая энергия, получаемая при нагреве в низкотемпературном пламени (например, пропан/воздух).

1 – сосуд с анализируемым раствором; 2 – капилляр; 3 – распылитель; 4 – распыляющее сопло; 5 и 6 – стабилизаторы расхода воздуха и горючего газа; 7 – сопло горючего газа; 8 – горелка; 9 – сферическое зеркало; 10 – пламя; 11 – оптический узел; 12 – светофильтр, набор светофильтров или монохроматор; 13 – фотоприемник; 14 – электронный усилитель; 15 – устройство обработки и отображения информации

В пламенном фотометре исследуемое вещество (в виде водного солевого раствора) при помощи газа-носителя диспергируется в воздухе. Пламя испаряет остатки растворителя и разлагает молекулы. Таким образом, соль в капельках дисперсии путем ее нагрева в пламени переводится в газообразное состояние и распадается на составляющие атомы. Вместо аэрозолей непосредственно в пламя можно вдувать также мелкозернистые порошки. При нагреве выше критической температуры атомы поглощают энергию, что приводит к возбуждению электронов, их переходу на более высокий энергетический уровень. Когда возбужденные электроны возвращаются в первоначальное состояние, они излучают поглощенную энергию в виде света. Спектр излучаемого света, является характеристикой элемента. Интенсивность излучаемого света на данной длине волны пропорциональна количеству возбужденных атомов:

,

где a и b – постоянные величины; С_а – концентрация атомом анализируемого вещества в источнике излучения. В идеальных условиях имеется линейная взаимосвязь между концентрацией и интенсивностью света на определенной для данного элемента длине волны (b = 1). Однако на практике имеется некоторая зависимость степени ионизации от концентрации элемента. Кроме того, наличие других элементов может подавлять ионизацию. В газообразном состоянии могут быть возбуждены как атомы, так и ионы элемента, однако эмиссионные спектры атомов и ионов различны. Поэтому необходимо выбирать условия измерения, при которых получаются только атомные эмиссионные спектры. Оптимальные условия должны быть определены для каждого элемента. Когда, например, измеряется содержание калия в образце, добавление других элементов, таких как литий, с одной стороны снижает ионизацию калия, но в то же самое время обеспечивает возможность внутренней калибровки, если концентрация лития определяется детектором сравнения. Поэтому пламенные фотометры с детектором сравнения для лития позволяют компенсировать флуктуации, вызванные непостоянством энергии пламени.

Раствор пробы смешивается с разбавителем, который может содержать соль лития в определенной концентрации. Многие пламенные фотометры имеют дилютор в качестве неотъемлемой части прибора. Разбавленный раствор диспергируется газом носителем в камере распылителя и нагревается пламенем газовой горелки. Излучаемый свет через оптическую систему поступает на фотодетектор. Для измерения различных элементов используются светофильтры на следующие длины волн: Li – 671 нм, Na – 589 нм, K – 768 нм.

Пламенная эмиссионная фотометрия основана на проведении сравнительных измерений, поэтому калибровочные пробы должны приготавливаться и анализироваться одновременно с исследуемыми образцами.

Энергию возбуждения пламени можно менять в широких пределах соответствующим подбором состава горючего газа и газа-носителя.

Горючий газ	Газ-носитель	Диапазон Температур, °С
Водород Пропан Водород Ацетилен	Азот или аргон Воздух	350 - 1000 1900 - 1950 2000 - 2050 2100 - 2400
Пропан Водород Ацетилен	Закись азота	2400 - 2600 2400 - 2600 2600 - 2900
Водород Ацетилен Дициан	Кислород	2500 - 2700 3000 - 3150 4400 - 4500

Чем ниже температура пламени, тем ниже энергия возбуждения и меньше число эмиссионных линий или полос. Для выделения спектральных линий легко возбудимых щелочных элементов достаточно использовать узкополосные фильтры.

Есть несколько возможных схем работы пламенного фотометра. В самом простом случае, который обычно и практикуется при определении натрия или калия в сыворотке крови или моче, исследуемый материал разводят водой в 50 или 100 раз и сжигают в пламенном фотометре.

Эмитируемый свет, проходя через светофильтр, попадает на фотоприемник, сигнал которого пропорционален количеству исследуемого элемента. Такое прямое измерение оказывается эффективным только, если исследуемого элемента много и у него яркие линии, как в случае натрия.

Если же концентрация исследуемого вещества невелика по сравнению с содержанием других элементов, спектральные линии которых более интенсивны и создают помехи при анализе, приходится использовать более сложные приемы. Эффективнее всего, конечно, иметь монохроматор, выделяющий узкую спектральную полосу, в точности соответствующую ширине линии, но такие монохроматоры дороги, светосила у них обычно невелика, поэтому необходимы более чувствительные и, соответственно более дорогие светоприемники.

В некоторых случаях используют так называемый компенсационный метод: одновременно выделяют два пучка света - один, который соответствует линии исследуемого элемента, второй - того элемента, который мешает определению, поскольку излучаемый им интенсивный свет создает помехи (для биологических жидкостей в таком положении оказывается натрий). Оба сигнала включаются друг навстречу другу, прибор фиксирует разность между ними, тем самым вводя поправку на концентрацию присутствующего в растворе натрия.

Используется и метод внутреннего стандарта, когда исследуемую биологическую жидкость разводят не водой, а раствором элемента, которого нет в биологическом материале, чаще всего солями лития. В процессе анализа делают два измерения: на длине волны, характерной для линии определяемого элемента, и на длине волны линии внутреннего стандарта. Если показания стандарта отличаются от того, что было при калибровке, вносят соответствующую поправку и в измеряемую величину.

Такой порядок работы позволяет избежать ошибок, связанных с нестандарными условиями распыления; особенно важно это при исследовании жидкостей, вязкость которых может значительно колебаться.

Точность пламенно-фотометрических методов исследования во многом зависит от условий распыления исследуемой жидкости и возбуждения пламени. Чтобы их стандартизировать, надо не только хорошо отрегулировать распылитель (эжектор), но и проследить, чтобы вязкость калибровочных и исследуемых растворов была одинаковой. Для этого в разводящие растворы рекомендуется добавлять соответствующие вещества.

В клинической лабораторной практике чаще всего определяют калий и натрий в сыворотке крови и в моче. Для этих анализов нет необходимости использовать ни методы внутреннего стандарта, ни разведения проб фоном, ни компенсации - достаточно правильно приготовить комплексный калибровочный раствор, который одновременно содержит и калий, и натрий в концентрациях близких к тем, которые бывают в исследуемом материале. Нельзя только забывать, что в плазме крови соотношение концентраций этих элементов другое, чем в моче, поэтому калибровочный раствор для мочи не подходит для анализа крови и наоборот.