Atomabsorptionsspektrometri ( AAS ) er en instrumentel metode til kvantitativ grundstofanalyse, der er almindelig i analytisk kemi (moderne metoder til atomabsorptionsbestemmelse gør det muligt at bestemme indholdet af næsten 70 grundstoffer i det periodiske system ) ved atomabsorptionsspektre (absorption ) for at bestemme indholdet af metaller i opløsninger af deres salte : i naturligt vand og spildevand , i mineraliserede opløsninger , teknologiske og andre løsninger [1] [2] [3] .
Instrumentet til AAS er et atomabsorptionsspektrometer , hvis hovedelementer er en lyskilde , en forstøver , en spektral enhed og et elektronisk system. Bestemmelse af indholdet af grundstoffet i prøven udføres ved hjælp af det eksperimentelt etablerede funktionelle forhold mellem det analytiske signal og koncentrationen af grundstoffet i kalibreringsopløsningen .
For første gang blev spektrale absorptionslinjer for atomer opdaget, da man studerede Solens spektrum i begyndelsen af det 19. århundrede af den engelske læge og kemiker William Wollaston , og derefter af den tyske fysiker Joseph Fraunhofer . Forbindelsen mellem typerne af atomabsorptions- og emissionsspektre og den kemiske sammensætning af den opvarmede gas blev etableret af de tyske videnskabsmænd Robert Bunsen og Gustav Kirchhoff i 1859-1861. Siden dengang er emissionsspektrene for atomer blevet brugt i vid udstrækning i den kvalitative og kvantitative bestemmelse af PSCE- elementer i prøver af forskellig sammensætning og aggregeringstilstand. Absorptions(absorptions) spektre af atomer begyndte at blive brugt til analytiske formål fra 1930'erne-1940'erne til at identificere visse grundstoffer i stjerners atmosfærer, samt til at bestemme kviksølvindholdet i forskellige prøver og indendørs atmosfærer, men de blev ikke brugt meget på grund af det faktum, at der ikke var noget praktisk og meget følsomt målekredsløb [3] .
I 1955 foreslog den britisk-australske fysiker Alan Walsh en enkel og let at implementere metode til kvantitativ bestemmelse af indholdet af grundstoffer i opløsninger sprøjtet ind i en acetylen - luftflamme ved at absorbere atomarlinjestråling fra specielle selektive lamper. Denne metode, som ligger til grund for den analytiske metode til atomabsorptionsspektrometri, forudbestemte udviklingen af metoden i fremtiden [3] . I 1962 producerede Techtron firmaet grundlagt af Walsh verdens første masseproducerede AA-2 atomabsorptionsspektrometer [4] . Først fungerede en flamme som en forstøver , men i 1960'erne foreslog Boris Lvov og Hans Massman at bruge en grafitovn , som senere begyndte at blive fremstillet industrielt til AAS [5] .
Instrumenter til atomabsorptionsanalyse - atomabsorptionsspektrometre. De er højautomatiske præcisionsenheder, der giver reproducerbarhed af måleforhold, automatisk indføring af prøver og registrering af måleresultater [6] .
Hovedelementerne i denne anordning er: en lyskilde, der udsender en karakteristisk smal spektral linje af analytten; en forstøver til omdannelse af et givet stof til atomdamp; en spektral anordning til isolering af en karakteristisk analytisk linje af et stof og et elektronisk system, der er nødvendigt til at detektere, forstærke og behandle et analytisk absorptionssignal [3] .
Bestemmelse af indholdet af grundstoffet i prøven udføres ved hjælp af det eksperimentelt etablerede funktionelle forhold ( kalibreringsfunktion ) mellem det analytiske signal (absorption, optisk tæthed ) og koncentrationen af grundstoffet i sammenligningsprøven. Kalibreringsfunktionen kan enten være en matematisk formel eller en graf [3] .
De vigtigste krav til strålingskilder, der anvendes i atomabsorptionsspektrometri, er deres smalle bånd, høje stabilitet i frekvens og intensitet, høj intensitet af resonanslinjer, lavt støjniveau, fravær af kontinuerlig baggrundsstråling, fravær af spektrale overlapninger på resonanslinjen og dens ubetydelige selvabsorption, minimum driftstilstandens etableringstid og minimumsstørrelsen af glødelegemet (til fokusering af enheden i snævre analytiske zoner) [3] .
Der findes flere typer lyskilder. Hulkatodelamper , elektrodeløse lamper og afstembare lasere er mest almindeligt anvendte [7] .
En hul katodelampe består af en cylindrisk hul katode , ved siden af hvilken er en wolframtråd - en anode . Selve lampen er en cylindrisk glasbeholder, der er fyldt med en inert gas . Lampens katode er lavet af elementet eller dets legering bestemt under analysen. Lyset med den nødvendige bølgelængde, absorberet i forstøveren af atomerne i det grundstof, der bestemmes, udstråles som et resultat [8] . Den største bølgelængde bestemmes af Cs -linjen - 852 nm, den mindste - af As -linjen - 193,7 nm; kortere bølgelængder bruges ikke i atomabsorptionsanalyse på grund af deres stærke absorption af atmosfærisk oxygen [7] .
Inde i den elektrodeløse lampe skabes et stærkt elektromagnetisk felt ved hjælp af en spole, som en højfrekvent strøm passerer igennem . En lille kvartsempul indeholdende en flygtig forbindelse af analytten placeres i dette felt. Funktionsprincippet ligner det for en hul katodelampe. Den største ulempe ved denne type lyskilde er behovet for en ekstra enhed til strømforsyning - en højfrekvent generator [7] .
Afstembare lasere er blevet brugt som strålingskilder siden 1974. Deres brug gør det muligt at undvære et stort sæt lamper, da en sådan laser kan bruges til alle elementer, men dens høje omkostninger forhindrer dens udbredte brug [7] .
Atomabsorptionsanalysemetoden er baseret på frie atomers absorption af optisk stråling. På grund af det faktum, at i det optiske område svarende til energierne af valenselektroner giver frie atomer og polyatomare partikler forskellige spektre. Derfor er den vigtigste forudsætning for AA-bestemmelser omdannelsen af det stof, der bestemmes, til atomdamp . Til dette bruges en kilde til høj temperatur - en forstøver [9] .
Der er to hovedforstøvningsmetoder, der er meget udbredt i praksis [9] :
Flammeforstøvning er kendetegnet ved, at en flamme tjener som en kilde til høj temperatur. Forstøveren er en brænder, hvori der kontinuerligt tilføres brændbare gasser blandet med oxidationsmidler. Den analyserede opløsning føres ind i forstøveren ved hjælp af en sprøjtedyse. De mest almindelige i atomabsorption er følgende sammensætninger af blandinger: [9]
Luft-acetylenflamme bruges til at bestemme alkali- og jordalkalimetaller , såvel som Cr , Fe , Co , Ni , Mg , Mo , Sr og ædelmetaller . En sådan flamme har høj gennemsigtighed i bølgelængdeområdet på mere end 200 nm, lav selvemission og giver en høj forstøvningseffektivitet af mere end 30 grundstoffer. Kun alkalimetaller er delvist ioniseret i det. Flammen af acetylen og nitrogenoxid (I) har en meget højere temperatur, da lattergas er en termodynamisk ustabil forbindelse. I en flamme nedbrydes den hurtigt og frigiver betydelig ekstra energi, mens en del af varmen under forbrændingen af en luft-acetylenblanding bruges på at opvarme nitrogen til flammens temperatur. Flammen af acetylen og N 2 O er meget gennemsigtig over hele bølgelængdeområdet, der bruges i atomabsorptionsanalyse (190-850 nm). Dens største ulemper er en stærk iboende glød og en høj grad af ionisering af en række elementer. Disse to typer flammer tilsammen gør det muligt at bestemme omkring 70 grundstoffer, mens andre typer gasblandinger har en snævrere anvendelse. For eksempel bruges en luftpropanflamme som regel kun til bestemmelse af alkalimetaller, Cd , Cu , Ag og Zn [10] .
Metoden til elektrotermisk forstøvning blev udviklet af Boris Lvov, som i 1959 designede den første flammeløse forstøver, en grafitcelle , og i 1961 udgav data om dens analytiske evner. Denne metode er kendetegnet ved, at en grafitovn (et rør 50 mm langt og en indre diameter på 4-5 mm) tjener som en forstøver, der opvarmes af en høj elektrisk strøm . Analytten indføres til endefladen af grafitelektroden, som efter tørring af den aflejrede dråbe føres ind i den forvarmede grafitovn gennem et konisk hul i dens væg. I det øjeblik, hvor elektroden er i kontakt med røret, opvarmes elektroden yderligere af en kraftig lysbueudladning, der antændes mellem den ydre ende af elektroden med prøven indført i ovnen og hjælpeelektroden. Som et resultat sker der en effektiv forstøvning af stoffet inde i ovnen. For at forhindre hurtig udbrænding af grafitten placeres røret i en atmosfære af inert gas ( argon med høj renhed ). Senere forenklede Hans Massman grafitovnens design: hans rørformede grafitforstøver er en cylinder 40 mm lang, med en indvendig diameter på 6 mm og en vægtykkelse på højst 1,5 mm, åben i begge ender og i midten i forstøveren er der et hul til indføring af analytten [9] [10] .
Den grundlæggende forskel mellem Lvovs grafitkuvette og Massmans ovn er, at i Lvovs design udføres fordampningen af et stof fra en dummy-elektrode ind i et hulrum, der allerede er opvarmet til den nødvendige temperatur, mens prøven i Massmans ovn placeres på væggen af et koldt rør, og dets efterfølgende fordampning sker som vægtemperaturer. Dette førte til en vis krise i brugen af elektrotermiske forstøvere i 1970'erne. På grund af den stærke indflydelse af sammensætningen af prøverne på resultaterne af bestemmelserne var der ved brug af Massman grafitovnen en klar tendens til at eliminere eller svække denne ulempe. Men i 1977 forbedrede Boris Lvov grafitovnen. I hans nye design blev prøver fordampet ind i ovnen fra en platform, som blev kaldt "Lvov-platformen" [10] . Den maksimale driftstemperatur for den flammeløse forstøvningsmetode ligger i området fra 2600 til 2700 °C [9] .
Atomabsorptionsspektrometri er mest udviklet til arbejde med flydende stoffer. På baggrund af dette udføres følgende operationer til analysen [3] :
Metoder til atomabsorptionsspektrometri bruges til analyse af næsten ethvert teknisk eller naturligt objekt. Moderne metoder til AA-bestemmelse gør det muligt at bestemme indholdet af næsten 70 elementer i det periodiske system. Af de tekniske objekter analyserer atomabsorptionsspektrometri metaller, legeringer , produkter fra hydrometallurgisk forarbejdning af malme og så videre. For eksempel er indholdet af sølv, bly og kobber bestemt i guld, i jord , gødning , planter - zink, jern, magnesium, kobber og andre elementer. Denne metode bruges ofte i kliniske og forskellige biologiske analyser ( blod , blodserum og andre) til bestemmelse af bly, kviksølv og bismuth [11] .