Атомная спектроскопия

Резюме

Атомная спектроскопия включает в себя ряд аналитических методов, которые используются для определения элементного состава образца (он может быть газовым, жидким или твердым) путем наблюдения за его электромагнитным или массовым спектром. Метод позволяет выявлять концентрацию элементов миллионной (ppm) или миллиардной части (ppb) образца.

Существуют различные варианты атомной спектроскопии – абсорбционная, эмиссионная, флуоресцентная и масс-спектроскопия. Определение соответствующей методики требует базового понимания каждой из них с учетом их индивидуальных преимуществ и ограничений. Данная статья содержит краткий обзор базовой методики атомной спектроскопии и критериев выбора ее разновидности в зависимости от задач исследования.

Ключевые слова и понятия

Атомно-абсорбционная спектроскопия (AAS), атомно-эмиссионная спектроскопия (AES), атомно-флуоресцентная спектроскопия (AFS), рентгеновская флуоресценция (XRF), неорганическая масс-спектроскопия (MS).

1. Вступление.

Спектроскопия – это изучение взаимодействий между веществом и различными формами электромагнитного излучения. Этот термин применяется по отношению к количественному анализу.

Атомная спектроскопия включает методы атомно-абсорбционной (AAS), атомно-эмиссионной (AES) и атомной флуоресцентной спектроскопии (AFS), рентгеновской флуоресценции (XRF), а также неорганической масс-спектроскопии (MS). AAS, AES и AFS используют взаимодействия между УФ-видимым светом и валентными электронами свободных газовых атомов. В рентгеновском излучении заряженные частицы высокой энергии сталкиваются с электронами внутренней оболочки атома, инициируя переходы с последующим излучением рентгеновских фотонов. Для неорганических МС ионизированные атомы анализируемого вещества разделяются в магнитном поле в соответствии с их отношением массы к заряду (m/z).

2. Атомная спектроскопия. Общие принципы.

Каждый элемент имеет характерную атомную структуру с небольшим положительно заряженным ядром, окруженным достаточным количеством электронов, которые необходимы для поддержания нейтральности. Электроны оседают на орбитали внутри атома, некоторые из них также могут перемещаться с одного энергетического уровня на другой, более высокий, приобретая необходимую энергию (рис.1). Эта энергия обеспечивается столкновением с другими атомами, такими как нагрев (AES), фотонами, полученными из света (AAS и AFS), а также электронами высоких энергий (XRF). 

Переходы происходят, когда требуемая энергия достигает разности между двумя энергетическими состояниями (ΔE). Нейтральный атом может существовать в низкоэнергетической оболочке, своем основном состоянии (E0) или в любом из группы возбужденных состояний в зависимости от того, сколько электронов перешло на более высокие энергетические уровни (E′’). Обычно рассматривается именно первый переход. Каждый элемент имеет уникальный энергетический уровень и показатель ΔE, связанный с переходами между этими уровнями.

Рисунок 1. Диаграммы уровней энергии, которые иллюстрируют переход электронов при (a) AAS, (b) AES и (c) AFS. Вертикальные стрелки указывают на поглощение или излучение света.

ΔE для движения валентных электронов в большинстве элементов соответствует энергии, равной УФ-видимому излучению. Энергия фотона (E) вычисляется по следующему уравнению:

E=hu        E1

где h – постоянная Планка (6,63 × 10-34 Дж·с), ν – частота волны, которая соответствует конкретному фотону. Связь между длиной волны и частотой рассчитывается по следующему уравнению:

υ=c/λ        E2

где c – скорость света, λ – длина волны. Таким образом,

Ε=hc/λ       E3

и специфический переход, ΔE, связан с уникальной длиной волны.

Когда свет определенной длины волны попадает в аналитическую систему, электроны внешней оболочки соответствующих атомов возбуждаются по мере поглощения энергии. В результате количество света, которое передается от системы к детектору, будет уменьшено, что соответствует методике AAS (рис. 1а).

Электроны внешней оболочки испаренных атомов могут также возбуждаться при нагревании. Когда эти электроны возвращаются в более стабильное основное состояние, энергия теряется. Как показано на рис. 1b, часть этой энергии излучается в виде света, который можно измерить с помощью детектора, что соответствует методике AES.

Часть лучистой энергии, поглощенной атомами своем в основном состоянии, может излучаться в виде света, когда атом возвращается в основное состояние, что соответствует методике AFS (рис.1c).

Когда высокоэнергетические фотоны сталкиваются с массивными частицами, они могут возбуждать электроны внутренней оболочки атома. Образующаяся в результате свободная внутренняя орбиталь может быть заполнена электроном внешней оболочки. Переход создается излучением рентгеновского фотона. Этот процесс называется рентгеновской флуоресценцией (XRF).

Энергия эмиссии, т.е. длина волны, характерна для атома (элемента), из которого она возникла, в то время как интенсивность эмиссии связана с концентрацией атомов в образце.

Высокотемпературная индуктивно-связанная плазма успешно используется в качестве эффективного источника ионов для масс-спектроскопии, в частности, ее разновидности –  индуктивно-связанной плазменной масс-спектроскопии (ICP-MS), которая используется для выявления микроэлементов в клинических и биологических образцах. 

Согласно приведенным выше формулам, длины волн поглощенного и излучаемого света являются уникальными для данного элемента.

3. Атомная спектроскопия. Контрольно-измерительные приборы

Образование атомарного пара, т.е. распыление, является основным принципом эмиссии, поглощения и флуоресценции. Самым важным компонентом приборов, которые используются для атомной спектроскопии, являются источники распыления и устройства ввода образцов с соответствующим спектрометром для выбора длины волны и детектирования света. Распыление включает несколько ключевых этапов:

• удаление растворителя;
• отделение от аниона и других элементов матрицы;
• восстановление ионов до атома основного состояния.

Конструкция прибора AFS аналогична конструкции приборов для AAS и AES, за исключением того, что источник света и детектор расположены под прямым углом друг к другу (рисунок 2).

Рисунок 2. Принципиальная схема прибора AAS, AES и AFS.

В этих приборах используются два типа источников света: непрерывные и линейные. Непрерывный (широкополосный) источник испускает излучение в широком диапазоне длин волн. В свою очередь, линейный источник испускает излучение с определенной длиной волны, однако этот источник излучения не такой чистый, как излучение лазера. В таблице 1 приводится перечень наиболее распространенных видов ламп, которые могут использоваться в таких приборах в качестве источника света

Таблица 1. Наиболее распространенные виды источников света.

Атомизатор – это любое устройство, которое способно производить атомы основного состояния в виде пара на пути светового потока. Атомизаторы, которые используются для AFS, AAS и AES, аналогичны, самые распространенные из них – пламенный и электротермический (непламенный). Пламя обеспечивает легкие и быстрые измерения с минимальными помехами и подходит для любой концентрации анализируемого вещества. Конструкция пламенного атомизатора включает пневматический распылитель, расширительную камеру и воздушно-ацетиленовое ламинарное пламя высотой 10 см.

Хотя в ходе AES с помощью пламенного атомизатора в биологических образцах могут быть выявлены такие элементы, как Na и K, данный метод больше подходит для AAS и AFS. AAS позволяет выявлять вещества с концентрацией примерно в 1 мкг/мл (ppm) или более. В настоящее время разрабатываются устройства, которые смогут преодолеть данные ограничения. Атомизация может быть полной (100%), генерируя при этом образец в виде  импульсного, а не непрерывного потока. Большинство систем используют графитовую трубку, которая нагревается с помощью электричества, хотя иногда используются и другие материалы. Данный метод получил название атомизация с помощью графитовой печи.

В графитовой трубке с электрическим нагревом используется программируемая последовательность температуры. С помощью такого высушивается 10-50 мкл раствора, разрушается органический материал, а ионы аналита диссоциируют от анионов до атомов основного состояния. Температура атомизатора достигает 3000 К, что позволяет преобразовывать тугоплавкие элементы, таких как алюминий и хром, в газообразное состояние. Распыление и удержание агалита в печи небольшого объема обеспечивает высокую плотность атомов. Этот метод чрезвычайно чувствителен, так как позволяет выявить сразу несколько концентраций анализируемого вещества в мкг/мл. Хотя этот метод широко используется для AAS, электротермическая атомизация обеспечивает более высокую производительность как при AES, так и при преобразовании образца в индуктивно связанную плазму.

Ранее широко использовались исковые дуги, однако в современных приборах для генерации плазмы используется аргон или какой-либо другой инертный газ. Плазма также может быть получена при ионизации атомов газа

Ar + e− → Ar1 + 2e–

в ходе процесса генерации ионов из высоковольтной искры, который поддерживается с помощью генератора радиочастоты в области индукционной катушки. Результатом становится индуктивно связанная плазма (ICP), которая имеет температуру до 10 000 К.

XRF предполагает облучение образца фотонами высоких энергий. В большинстве приборов их источником является полихроматический первичный луч. Однако для исследования биологических образцов применяются также радиоактивные изотопы, такие как 244Cm, 241Am, 55Fe и 109Cd.

Идеальный селектор длины волны предлагает высокую пропускную способность излучения и узкую эффективную полосу пропускания. Существует два основных типа селекторов длин волн – фильтры и монохроматоры. Абсорбционные фильтры обеспечивают эффективную ширину полосы 30-250 нм, хотя пропускная способность может составлять только 10% интенсивности эмиссии источника в нижней части этого диапазона. Простым примером абсорбционного фильтра является кусок цветного стекла.

Интерференционные фильтры обычно включают несколько оптических слоев, которые нанесены на стекло или прозрачный материал. Как правило, их эффективная полоса пропускания составляет 10-20 нм с максимальной пропускной способностью не менее 40%.

Монохроматор спектрометра используется для преобразования полихроматического источника излучения на входной щели в монохроматический источник ограниченной эффективной полосы пропускания на выходной щели. Эти устройства классифицируются как устройства с фиксированной длиной волны или сканирующие устройства. Длина волны выбирается путем ручного вращения решетки в монохроматоре с фиксированной длиной волны. Сканирующий монохроматор включает в себя приводной механизм, который непрерывно вращает решетку, позволяя выходить из монохроматора волнам с последовательной длинной (рисунок 3).

Рисунок 3. Принципиальная схема селекторов длины волны: а) фильтры и b) дифракционный решетчатый монохроматор.

Детекторы используют чувствительный преобразователь, необходимый для преобразования светового сигнала в электроны. Идеальный детектор производит сигнал, S, который является линейной функцией мощности электромагнитного излучения, P

S=kP+D

где k – это чувствительность детектора, D – темновый (фоновый) ток, который возникает в случаях, когда излучение источника не достигает детектора.

Фототрубки и фотоэлектронные умножители имеют светочувствительную поверхность, которая поглощает излучение в УФ-видимом или близком к ИК диапазонах, генерируя электрический ток, пропорциональный числу фотонов, которые достигают преобразователя (рисунок 4). Другие фотонные детекторы используют полупроводниковое соединение в качестве фоточувствительной поверхности. Одним из преимуществ фотодиода Si, который изготовлен с использованием полупроводникового процесса, является легкость его миниатюризации. Инфракрасные фотоны не имеют достаточное количества тепла для генерации измеримого тока с помощью фотонного преобразователя.

Рисунок 4. Схема фототрубки и трубки фотоэлектронного умножителя.

Электрический сигнал преобразователя передается в сигнальный процессор, где он отображается в форме, более удобной для описания и визуализации. Аналоговые и цифровые счетчики, регистраторы и компьютеры, оснащенные платами сбора данных, могут служить отличными примерами сигнальных процессоров. Сигнальный процессор используется для калибровки отклика детектора, усиления сигнала датчика, удаления шума путем фильтрации, либо математического преобразования сигнала (таблица 2).

Таблица 2. Примеры детекторов, которые используются в спектроскопии.

4. Атомная спектроскопия. Подготовка образцов

Идеальная подготовка образца должна включать удаление лишних компонентов матрицы и регулировку содержание аналита для облегчения измерений. Существуют многократно апробированные эффективные  методы разрушения органической матрицы путем нагревания и растворения кислотой.

Для этого используется микроволновое нагревание с помощью специально разработанного совместимого оборудования, которое позволяет избежать опасного избыточного давления в реакционной колбе. Хотя количество образцов, которые могут подвергаться обработке, относительно невелико, микроволновое нагревание обеспечивает быстрое осаждение (преципитацию) и снижает количество необходимых заготовок реагентов.

Жидкостно-жидкостная экстракция

Порционирование жидкость-жидкость широко применяется для процедуры предконцентрации. Атомы анализируемого вещества соединяются с подходящим агентом в большом объеме водного раствора и собираются в небольшом объеме растворителя. Весь образец может быстро вводится в распылитель в газообразном состоянии для проведения исследований с помощью методов AAS, AES, AFS и ICP-MS. Некоторые элементы, в частности, мышьяк, селен и висмут, легко превращаются в газообразные гидриды и переносят потоком инертного газа в приборы для AES и ICP-MS или в нагретую трубку из диоксида кремния, которая расположена на пути света для AAS, AFS. Эта трубка может нагреваться с помощью воздушно-ацетиленового пламени или электрического тока.

Полученного в ходе этого процесса тепла достаточно, чтобы вызвать разложение гидрида и распыление анализируемого вещества. Это позволяет избежать потерь аналита, все атомы которого проходят весь путь за несколько секунд и попадают в ловушку внутри трубки из диоксида кремния, которая задерживает их диспергирование. Любой объем образца, который добавляется в реакционный контейнер, для генерации гидрида в ходе AAS имеет пределы обнаружения в несколько нанограммов аналита. Ртуть может быстро образовывать пар при температуре окружающей среды, это свойство позволяет использовать ее для образования холодного пара. При добавлении восстановителя в раствор образца Hg2+ превращается в элементарную ртуть.

Прохождение газа через раствор (барботирование) используется для ускорения испарения ртути и улучшения передачи ртути в проточную ячейку, которая расположена на пути луча  света. Как и в случае с генерацией гидридов, предел обнаружения тут составляет несколько нанограммов. Некоторые производители разработали комбинированные приборы для выполнения обеих процедур. Были также разработаны хроматографические или электрофоретические методы, которые непосредственно связаны с атомно-спектроскопическим прибором для разработки интегрированных аналитических механизмов.

5. Атомная спектроскопия. Пределы обнаружения

Пределы обнаружения являются важными параметрами для всех основных аналитических методов. Типичные предельные диапазоны обнаружения для основных методов атомной спектроскопии показаны на рисунке 5. Пределы обнаружения для AAS, как правило, выше во всех случаях, когда элемент подвергается распылению. Пределы обнаружения тугоплавких элементов, таких как бор, титан и ванадий, выше при ICP, чем при AAS. Неметаллы и галогены могут быть выявлены только с помощью ICP. Оптимальное выявление неметаллов, таких как сера, азот и галогены, с помощью ICP-ES может быть достигнуто только при использовании вакуумного монохроматора. Для ртути и тех элементов, которые образуют гидриды, максимальные пределы обнаружения обеспечиваются с помощью генерации холодного пара ртути или гидридов.

Рисунок 5. Типичные диапазоны пределов обнаружения основных методов атомной спектроскопии.

6. Атомная спектроскопия. Аналитический рабочий диапазон

Аналитический рабочий диапазон можно рассматривать как диапазон концентраций, в котором количественные результаты могут быть получены без повторной калибровки системы. Выбор метода с аналитическим рабочим диапазоном, который основан на ожидаемых концентрациях анализируемого вещества, минимизирует время анализа, позволяя совместно анализировать образцы с различными концентрациями анализируемого вещества. Например, ICP-MS, когда-то считавшаяся только методом, пригодным для ультрапрочных элементов, теперь может применяться в диапазоне концентраций от низкого уровня частей на триллион (ppt) до высоких частей на миллион (ppm). Широкий аналитический рабочий диапазон также может снизить, например, требования к обработке, что позволяет минимизировать потенциальные ошибки. На рисунке 6 указаны типовые диапазоны аналитической работы с одним набором инструментальных условий.

Рисунок 6. Аналитические рабочие диапазоны основных методов атомной спектроскопии.

7. Атомная спектроскопия. Помехи

Явление спектроскопических помех является задокументированным фактом, существует ряд методов для их коррекции или компенсации. Например, метод ICP-AES обеспечивает широкий динамический диапазон и минимальные химические помехи. Таблица 3 содержит краткое описание помех, которые наблюдаемых в ходе исследования методами атомной спектроскопии, и соответствующих способов их компенсации.

Таблица 3. Помехи в атомной спектроскопии.

8. Атомная спектроскопия. Дополнительные критерии производительности

Критерии эффективности аналитических методов включают простоту использования, необходимые навыки оператора и наличие документированной методологии. Таблица 4 обобщает сравнительные преимущества и ограничения наиболее распространенных методов атомной спектроскопии.

Таблица 4. Сравнение производительности спектроскопических методов.

9. Атомная спектроскопия. Новейшие разработки и способы применения

Аналитические методы атомной спектроскопии были использованы для идентификации элементного анализа и количественного определения в различных образцах. В последнее время большинство имеющихся спектроскопических методов используется при анализе металлов и микроэлементов в образцах, которые используются в сфере промышленности и экологии.

Аналитическая спектроскопия прогрессирует по мере роста чувствительности, расширения пределов обнаружения и доступности приборов. Последние разработки в целом являются незначительными модификациями уже имеющихся проборов, которые позволяют проводить новые виды исследований. Достижения в области материаловедения выявили потребность в новых методах исследования с использованием уже доступных приборов, которые касаются, в частности, миниатюрных источников плазмы. Передним краем разработки являются времяпролетные масс-анализаторы. Кроме того, было разработано несколько новых методов, таких как лазерная абляционная молекулярно-изотопная спектрометрия (LAMIS) для анализа изотопного отношения, и автономные методы LIBS, такие как «подводный LIBS».

10. Заключение

Существует множество областей применения атомной спектроскопии. Например, медицинская лаборатория может выявить тип и количество тяжелых металлов, которые присутствуют в сыворотке или моче пациента. Ученые-экологи могут с ее помощью контролировать загрязнение воды и почвы тяжелыми металлами. Фармацевтическая промышленность использует может использовать эти методы для определения металлов и металлоидов в лекарственных продуктах.

Важными критериями для выбора аналитического метода являются пределы обнаружения, диапазон аналитической работы, способы подготовка образцов, стоимость, простота использования и наличие проверенной методологии. Методы атомной спектроскопии обеспечивают быстрое, простое, точное и высокочувствительное определение концентрации элементов.

Можно ожидать, что в будущем максимально допустимые пределы для элементов в питьевой воде, лекарственных препаратах и т.д. будут сокращаться, а не расти, поэтому большую роль в анализе элементов будут играть более чувствительные методы, в частности, ICP-MS.