Введение
Тип спектрально-аналитического прибора. Атомно-абсорбционная спектроскопия (AAS) и атомно-эмиссионная спектроскопия (AES) – это спектроаналитическая процедура для количественного определения химических элементов по свободным атомам в газообразном состоянии. Атомно-абсорбционная спектроскопия основана на поглощении света свободными металлическими ионами. В аналитической химии метод используется для определения концентрации определенного элемента (аналита) в анализируемой пробе. AAS может использоваться для определения более 70 различных элементов в растворе или непосредственно в твердых образцах методом электротермической вапоризации и применяется в фармакологии, биофизике, археологии и токсикологии. Атомно-эмиссионная спектроскопия (AAS) впервые была использована как аналитический метод, а ее базовые принципы были установлены во второй половине XIX века Робертом Вильгельмом Бунзеном и Густавом Робертом Кирхгофом, профессорами Гейдельбергского университета в Германии. Современная форма AAS была в значительной степени разработана в 1950-х годах группой австралийских химиков под руководством сэра Алана Уолша из Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO), Отдела химической физики в Мельбурне, Австралия. Атомно-абсорбционная спектрометрия имеет множество применений в различных областях химии, таких как клинический анализ металлов в биологических жидкостях и тканях, включая цельную кровь, плазму, мочу, слюну, ткань мозга, печень, волосы и мышечную ткань. Атомно-абсорбционная спектрометрия может использоваться для качественного и количественного анализа.
Atomic absorption spectroscopy (AAS) and atomic emission spectroscopy (AES) is a spectroanalytical procedure for the quantitative determination of chemical elements by free atoms in the gaseous state. Atomic absorption spectroscopy is based on absorption of light by free metallic ions. In analytical chemistry the technique is used for determining the concentration of a particular element (the analyte) in a sample to be analyzed. AAS can be used to determine over 70 different elements in solution, or directly in solid samples via electrothermal vaporization, and is used in pharmacology, biophysics,
archaeology and toxicology research. Atomic emission spectroscopy (AAS) was first used as an analytical technique, and the underlying principles were established in the second half of the 19th century by Robert Wilhelm Bunsen and Gustav Robert Kirchhoff, both professors at the University of Heidelberg, Germany. The modern form of AAS was largely developed during the 1950s by a team of Australian chemists. They were led by Sir Alan Walsh at the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), Division of Chemical Physics, in Melbourne, Australia. Atomic absorption spectrometry has many uses in different areas of chemistry such as clinical analysis of metals in biological fluids and tissues such as whole blood, plasma, urine, saliva, brain tissue, liver, hair, muscle tissue. Atomic absorption spectrometry can be used in qualitative and quantitative analysis.
Инструментовка
Чтобы проанализировать образец на его атомный состав, необходимо его атомизировать. В настоящее время наиболее распространёнными атомизаторами являются пламя и электротермические (графитовые) атомизаторы. Затем атомы подвергаются облучению оптическим излучением, источником которого может быть источник линейчатого излучения, специфичный для данного элемента, или источник непрерывного излучения. Далее излучение проходит через монохроматор для разделения излучения, характерного для элемента, от любого другого излучения, испускаемого источником, и, наконец, измеряется детектором.
Атомизаторы
В настоящее время используются спектроскопические пламя и электротермальные атомизаторы. Другие атомизаторы, такие как атомизация в тлеющем разряде, атомизация гидридов или атомизация холодного пара, могут использоваться для специальных целей.
Атомные разжигатели пламени
Самыми старыми и наиболее часто используемыми атомизаторами в ААС являются пламя, главным образом воздушное ацетиленовое пламя с температурой около 2300 °C и оксид азота, начиная с конца 1950-х годов, параллельно исследованные Хансом Масманном в Институте спектрохимии и прикладной спектроскопии (ISAS) в Дортмунде, Германия. Хотя на протяжении многих лет использовалось большое разнообразие конструкций графитовых трубок, в настоящее время их размеры обычно составляют 20–25 мм в длину и 5–6 мм во внутреннем диаметре. С помощью этой методики можно непосредственно анализировать жидкие/растворенные, твердые и газообразные образцы. В графитовую трубку вводят измеренный объем (обычно 10–50 мкл) или взвешенную массу (обычно около 1 мг) твердого образца, которые подвергаются температурной программе. Эта программа обычно состоит из следующих стадий: сушка – испарение растворителя; пиролиз – удаление большей части компонентов матрицы; атомизация – высвобождение анализируемого элемента в газовую фазу; и очистка – удаление возможных остатков в графитовой трубке при высокой температуре. Графитовые трубки нагреваются за счет их омического сопротивления с использованием источника питания низкого напряжения и высокого тока; температура на отдельных стадиях может контролироваться очень точно, а температурные рампы между стадиями облегчают разделение компонентов образца. Трубки могут нагреваться поперечно или продольно, причем первые обеспечивают более однородное распределение температуры по всей длине. Так называемая концепция печи со стабилизированной температурой (STPF), предложенная Уолтером Славином на основе исследований Бориса Львова, практически исключает влияние интерференции в ET AAS. Основными компонентами этой концепции являются атомизация образца с графитовой платформы, вставленной в графитовую трубку (платформа Львова), а не со стенки трубки, для задержки атомизации до достижения стабильной температуры газовой фазы в атомизаторе; использование химического модификатора для стабилизации аналита при температуре пиролиза, достаточной для удаления большей части компонентов матрицы; и интегрирование абсорбции по времени переходного сигнала вместо использования высоты пика абсорбции для количественного определения. В ET AAS генерируется переходный сигнал, площадь которого прямо пропорциональна массе аналита (а не его концентрации), введенной в графитовую трубку. Преимущество этой методики заключается в возможности непосредственного анализа любого образца – твердого, жидкого или газообразного. Ее чувствительность на 2–3 порядка выше, чем у ААС с пламенной атомизацией, что позволяет проводить определения в диапазоне низких мкг/л (при типичном объеме образца 20 мкл) и нг/г (при типичной массе образца 1 мг). Она демонстрирует очень высокую устойчивость к интерференции, поэтому ET AAS можно считать наиболее надежной методикой, доступной в настоящее время для определения микроэлементов в сложных матрицах.
Специализированные методы атомизации
В то время как пламенные и электротермические испарители являются наиболее распространенными методами атомизации, для специализированных целей применяются и другие методы атомизации.
Атомная разрядка с помощью светящегося разряда
Устройство тлеющего разряда (GD) является универсальным источником, поскольку позволяет одновременно вводить и атомизировать образец. Тлеющий разряд возникает в атмосфере аргона при низком давлении от 1 до 10 торр. В этой атмосфере расположены пара электродов, к которым прикладывается постоянное напряжение от 250 до 1000 В для ионизации газа аргона с образованием положительно заряженных ионов и электронов. Эти ионы, под действием электрического поля, ускоряются в направлении поверхности катода, содержащего образец, бомбардируя его и вызывая эжекцию нейтральных атомов образца посредством процесса, известного как распыление. Атомный пар, образующийся в результате этого разряда, состоит из ионов, атомов в основном состоянии и некоторой доли возбужденных атомов. При возвращении возбужденных атомов в основное состояние излучается свечение низкой интенсивности, которое и дало название данной методике. Требованием к образцам для тлеющего разряда является их электропроводность. Следовательно, атомизаторы наиболее часто используются для анализа металлов и других проводящих образцов. Однако, при соответствующих модификациях, их можно применять для анализа жидких образцов, а также непроводящих материалов путем смешивания их с проводником (например, графитом).
Гидридная атомизация
Техники генерации гидридов специализированы для работы с растворами определенных элементов. Этот метод позволяет вводить образцы, содержащие мышьяк, сурьму, селен, висмут и свинец, в атомизатор в газовой фазе. Для этих элементов гидридная атомизация повышает пределы обнаружения в 10–100 раз по сравнению с другими методами. Генерация гидрида происходит путем добавления подкисленного водного раствора образца к 1% водному раствору боргидрида натрия, находящемуся в стеклянной емкости. Образующийся летучий гидрид уносится в камеру атомизации инертным газом, где происходит его разложение. В результате этого процесса образуется атомизированная форма аналита, которую затем можно измерить с помощью абсорбционной или эмиссионной спектрометрии.
Атомная обработка холодной парой
Метод холодных паров — это метод атомизации, предназначенный исключительно для определения ртути, поскольку она является единственным металлом, обладающим значительным давлением паров при комнатной температуре. Благодаря этому он широко используется для определения органических соединений ртути в пробах и изучения их распространения в окружающей среде. Метод начинается с окисления ртути до Hg2+ азотной и серной кислотами, после чего происходит восстановление Hg2+ хлоридом олова(II). Образовавшаяся ртуть затем переносится в длиннопутевую абсорбционную кювету потоком инертного газа, пропускаемого через реакционную смесь. Концентрация определяется путем измерения абсорбции этого газа при длине волны 253,7 нм. Пределы обнаружения при использовании этого метода находятся в диапазоне частей на миллиард, что делает его высокочувствительным методом атомизации для определения ртути.
Источники излучения
Мы должны различать атомно-абсорбционную спектрометрию с линейным источником (LS AAS) и атомно-абсорбционную спектрометрию с непрерывным источником (CS AAS). В классической LS AAS, как было предложено Аланом Уолшем, высокое спектральное разрешение, необходимое для измерений AAS, обеспечивается самим источником излучения, который испускает спектр аналита в виде линий, ширина которых меньше, чем ширина линий поглощения. Источники непрерывного спектра, такие как дейтериевые лампы, используются исключительно для коррекции фона. Преимущество этой методики заключается в том, что для измерений AAS требуется монохроматор среднего разрешения; однако её недостаток состоит в том, что обычно для определения каждого элемента необходима отдельная лампа. В CS AAS, напротив, для определения всех элементов используется одна лампа, излучающая непрерывный спектр во всем интересующем спектральном диапазоне. Очевидно, что для этой методики требуется монохроматор высокого разрешения, что будет рассмотрено далее.
Светодиодные лампы с полым отверстием
Внутренние катодные лампы (HCL) являются наиболее распространенным источником излучения в LS AAS. Внутри герметизированной лампы, заполненной аргоном или неоновым газом при низком давлении, находится цилиндрический металлический катод, содержащий элемент, определяемый анализом, и анод. На анод и катод подается высокое напряжение, что приводит к ионизации наполнительного газа. Ионы газа ускоряются к катоду и, при столкновении с ним, вызывают распыление материала катода, который возбуждается в тлеющем разряде и излучает характерное излучение распыленного материала, то есть определяемого элемента. В большинстве случаев используются одноэлементные лампы, в которых катод изготовлен преимущественно из соединений целевого элемента. Доступны многоэлементные лампы, содержащие комбинации соединений целевых элементов, запрессованных в катод. Многоэлементные лампы обладают несколько меньшей чувствительностью, чем одноэлементные, и комбинации элементов необходимо тщательно подбирать, чтобы избежать спектральных интерференций. Большинство многоэлементных ламп содержат несколько элементов, например: 2–8. Атомно-абсорбционные спектрометры могут иметь всего 1–2 позиции для полых катодных ламп, а в автоматических многоэлементных спектрометрах обычно доступно 8–12 позиций для ламп.
Лампы без электродного разряда
Электродолесоразрядные лампы (EDL) содержат небольшое количество анализируемого вещества в виде металла или соли в кварцевой колбе вместе с инертным газом, обычно аргоном, при низком давлении. Колба помещается в катушку, генерирующую электромагнитное радиочастотное поле, что приводит к возникновению индуктивно-связанного разряда низкого давления в лампе. Интенсивность излучения EDL выше, чем у HCL, а ширина спектральных линий, как правило, меньше, однако EDL требует отдельного блока питания и может потребовать больше времени для стабилизации.
Деутериевые лампы
В атомно-абсорбционной спектрометрии с лазерной зондовой системой (LS AAS) для коррекции фона используются лампы с дейтерием HCL или даже водород HCL и лампы разряда дейтерия. Интенсивность излучения этих ламп значительно уменьшается с увеличением длины волны, поэтому их можно использовать только в диапазоне длин волн от 190 до примерно 320 нм.
Источники континуума
При использовании источника непрерывного излучения для атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС) необходимо использовать монохроматизатор с высоким разрешением, что будет рассмотрено далее. Кроме того, лампа должна излучать радиацию с интенсивностью как минимум на порядок превышающую типичную интенсивность лампы с полостью (HCL) во всем диапазоне длин волн от 190 до 900 нм. Для соответствия этим требованиям была разработана специальная ксеноновая лампа короткой дуги высокого давления, работающая в режиме горячей точки.
Спектрометр
Как уже было отмечено выше, существует разница между спектрометрами среднего разрешения, используемыми для атомно-абсорбционной спектрометрии с линейной зависимости сигнала (LS AAS), и спектрометрами высокого разрешения, предназначенными для атомно-абсорбционной спектрометрии с квадратичной зависимости сигнала (CS AAS). Спектрометр включает в себя устройство для разделения спектра (монохроматор) и детектор.
Спектрометры для LS AAS
В LS AAS высокое разрешение, необходимое для измерения атомного поглощения, обеспечивается узкополосным излучением источника, а монохроматор должен лишь выделить аналитическую линию из другого излучения, испускаемого лампой. Обычно этого можно достичь с полосой пропускания от 0,2 до 2 нм, то есть с помощью монохроматора среднего разрешения. Еще одной особенностью, обеспечивающей элементную специфичность LS AAS, является модуляция первичного излучения и использование селективного усилителя, настроенного на ту же частоту модуляции, как было предложено Аланом Уолшем. Это позволяет исключить любое (немодулированное) излучение, например, испускаемое атомизатором, что крайне важно для LS AAS. Для LS AAS обычно используются простые монохроматоры конструкции Литтроу или (предпочтительно) Черни-Тернера. Фотоэлектронные умножители являются наиболее часто используемыми детекторами в LS AAS, хотя твердотельные детекторы могут быть предпочтительнее из-за их лучшего отношения сигнал/шум.
Спектрометры для CS AAS
При использовании источника непрерывного излучения для измерений ААС необходимо работать с монохроматором высокого разрешения. Разрешение должно быть равно или превышать полуширину линии атомного поглощения (около 2 пм), чтобы избежать потери чувствительности и линейности калибровочного графика. Первые исследования с использованием ААС с высоким разрешением (HR CS AAS) были проведены группами О’Хавера и Харнли в США, которые также разработали (на сегодняшний день) единственный одновременный многоэлементный спектрометр для этой методики. Однако прорыв произошел, когда группа Беккера-Росса в Берлине (Германия) создала спектрометр, полностью спроектированный для HR CS AAS. Первое коммерческое оборудование для HR CS AAS было представлено компанией Analytik Jena (Йена, Германия) в начале XXI века и основано на конструкции, предложенной Беккером-Россом и Флореком. Эти спектрометры используют компактный двойной монохроматор с призматическим пре-монохроматором и эшелевой решеткой для достижения высокого разрешения. В качестве детектора используется линейный ПЗС-массив (CCD) с 200 пикселями. Второй монохроматор не имеет выходной щели, поэтому спектральное окружение по обе стороны от аналитической линии становится видимым с высоким разрешением. Поскольку для измерения атомного поглощения обычно используется всего 3–5 пикселей, остальные пиксели доступны для коррекции. Одной из таких коррекций является коррекция шума мерцания лампы, который не зависит от длины волны, что обеспечивает измерения с очень низким уровнем шума; другие коррекции предназначены для учета фонового поглощения, о котором будет рассказано далее.
Поглощение фонового излучения и коррекция фонового излучения
Относительно небольшое количество линий атомного поглощения (по сравнению с линиями атомного излучения) и их узкая ширина (несколько пм) делают спектральное перекрытие редким; известно лишь несколько примеров, когда линия поглощения одного элемента перекрывается с другим. Молекулярное поглощение, напротив, гораздо шире, поэтому более вероятно, что какая-либо молекулярная полоса поглощения перекроется с атомной линией. Этот вид поглощения может быть вызван недиссоциированными молекулами сопутствующих элементов образца или газами пламени. Необходимо различать спектры двухатомных молекул, которые демонстрируют выраженную тонкую структуру, и спектры более крупных (обычно трехатомных) молекул, которые такой тонкой структуры не проявляют. Другим источником фонового поглощения, особенно в ET AAS, является рассеяние первичного излучения на частицах, образующихся на стадии атомизации, когда матрица не была достаточно удалена на стадии пиролиза. Все эти явления – молекулярное поглощение и рассеяние излучения – могут приводить к искусственно завышенному поглощению и, как следствие, к некорректному (ошибочному) вычислению концентрации или массы аналита в образце. Существует несколько методов коррекции фонового поглощения, которые существенно различаются для LS AAS и HR CS AAS.
Методы коррекции фоновой информации в LS AAS
В LS AAS фоновую абсорбцию можно корректировать только инструментальными методами, и все они основаны на двух последовательных измерениях: сначала измеряется общая абсорбция (атомная плюс фоновая), затем – только фоновая абсорбция. Разность между этими двумя измерениями дает чистую атомную абсорбцию. В связи с этим, а также из-за использования дополнительных устройств в спектрометре, отношение сигнал/шум фонокорректированных сигналов всегда значительно хуже, чем у некорректированных сигналов. Важно также отметить, что в LS AAS невозможно скорректировать (редкий случай) прямое наложение двух атомных линий. По сути, для коррекции фона в LS AAS используется три метода:
Коррекция фоновой деутериевой
Это старейший и до сих пор наиболее часто используемый метод, особенно для атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенем. В этом случае для измерения фонового поглощения по всей ширине выходной щели спектрометра используется отдельный источник (дейтериевая лампа) с широким спектром излучения. Использование отдельной лампы делает этот метод наименее точным, поскольку он не позволяет корректировать структурированный фон. Кроме того, его нельзя использовать на длинах волн выше примерно 320 нм, так как интенсивность излучения дейтериевой лампы становится очень низкой. Использование дейтериевой лампы предпочтительнее, чем дуговой лампы, благодаря лучшему совпадению изображения от дейтериевой лампы с изображением анализируемого элемента.
Коррекция Смит-Хифтье
Эта техника (названная в честь её изобретателей) основана на уширении спектральных линий и самообращении эмиссионных линий HCL при приложении высокого тока. Полное поглощение измеряется при нормальном токе лампы, то есть при узкой эмиссионной линии, а фоновое поглощение – после приложения высокотокового импульса с профилем самообращенной линии, которая характеризуется слабым излучением на исходной длине волны, но сильным излучением по обе стороны от аналитической линии. Преимуществом этой техники является использование единственного источника излучения; к недостаткам относятся сокращение срока службы лампы из-за высокотоковых импульсов и применимость только к относительно летучим элементам, поскольку только они демонстрируют достаточный эффект самообращения, чтобы избежать значительной потери чувствительности. Дополнительной проблемой является то, что фон измеряется не на той же длине волны, что и полное поглощение, что делает невозможным использование этой техники для коррекции структурированного фона.
Коррекция фона эффекта Зимана
В атомизаторе (графитной печи) прикладывается переменное магнитное поле для расщепления линии поглощения на три компоненты: π-компоненту, которая остается на той же позиции, что и исходная линия поглощения, и два σ-компонента, которые смещаются на большую и меньшую длины волн соответственно. Полное поглощение измеряется без магнитного поля, а поглощение фона – при включенном магнитном поле. В этом случае π-компоненту необходимо исключить, например, с помощью поляризатора, и σ-компоненты не перекрываются с профилем излучения лампы, что позволяет измерять только поглощение фона. Преимущество данной методики заключается в том, что полное и фоновое поглощение измеряются с использованием одного и того же профиля излучения одной и той же лампы, что обеспечивает точную коррекцию любого вида фона, включая фон с тонкой структурой, при условии, что молекула, ответственная за фон, также не подвержена воздействию магнитного поля. Использование чоппера в качестве поляризатора снижает отношение сигнал/шум. Недостатками являются повышенная сложность спектрометра и необходимость в источнике питания для работы мощного магнита, необходимого для расщепления линии поглощения.
Методы коррекции фонового содержания в системе AAS HR-CS
В HR CS AAS математическая коррекция фона выполняется программным обеспечением на основе информации от пикселей детектора, не задействованных в измерении атомного поглощения; таким образом, в отличие от LS AAS, для коррекции фона не требуются дополнительные аппаратные средства.
Коррекция фона с помощью пикселей коррекции
Уже упоминалось, что в HR CS AAS шум, вызванный мерцанием лампы, устраняется с помощью коррекционных пикселей. По сути, любое увеличение или уменьшение интенсивности излучения, которое наблюдается в равной степени на всех пикселях, выбранных для коррекции, устраняется корректирующим алгоритмом. Это, очевидно, также включает в себя снижение измеренной интенсивности из-за рассеяния излучения или молекулярного поглощения, которое корректируется тем же способом. Поскольку измерение общей и фоновой абсорбции, а также коррекция последней, выполняются строго одновременно (в отличие от LS AAS), даже самые быстрые изменения фоновой абсорбции, которые могут наблюдаться в ET AAS, не представляют собой проблемы. Более того, поскольку один и тот же алгоритм используется для коррекции фона и устранения шума лампы, сигналы с коррекцией фона демонстрируют значительно лучшее отношение сигнал/шум по сравнению с некорректированными сигналами, что также отличает их от LS AAS.
Коррекция фона с использованием алгоритма наименьших квадратов
Вышеописанная методика очевидно не может корректировать фон с мелкой структурой, поскольку в этом случае поглощение будет различаться для каждого пикселя коррекции. В этом случае HR CS AAS предоставляет возможность измерять коррекционные спектры молекул, ответственных за фон, и сохранять их в компьютере. Затем эти спектры умножаются на коэффициент для согласования с интенсивностью спектра образца и вычитаются из спектра образца пиксель за пикселем и спектр за спектром с использованием алгоритма наименьших квадратов. Это может показаться сложным, но, во-первых, количество двухатомных молекул, которые могут существовать при температурах атомизаторов, используемых в ААС, относительно невелико, а во-вторых, коррекция выполняется компьютером за несколько секунд. Тот же алгоритм также может быть использован для коррекции прямого перекрытия двух линий атомного поглощения, что делает HR CS AAS единственной техникой ААС, способной корректировать этот вид спектральных помех.