Определение содержания минеральных элементов в пищевых продуктах методом атомной спектроскопии
Атомно-абсорбционная спектрометрия основана на измерении поглощения электромагнитного излучения атомным «паром» анализируемого вещества. Измеряют фотометрически разность интенсивности излучения до и после прохождения через анализируемый образец. Ослабление излучения с интенсивностью I0 до интенсивности I для выходящею светового потока происходит по экспоненциальной зависимости, которая идентична закону Бугера - Ламберта - Бера.
, (10)
где К – коэффициент поглощения,
l – толщина поглощающего слоя плазмы;
С – концентрация поглощающих атомов.
После логарифмирования этого выражения получают зависимость:
(11),
где А – абсорбция поглощающего слоя плазмы;
k – атомный коэффициент абсорбции.
При постоянной толщине поглощающего слоя градуировочный график, построенный в координатах А – С, представляет собой прямую, проходящую через начало координат.
Прибором, позволяющим осуществить метод ААС, является атом атомно-абсорбционный спектрометр, имеющий следующие основные составные части:
источник света определенной длины волны, характерной для исследуемого металла;
«абсорбционную ячейку», в которой происходит атомизация пробы;
монохроматор для выделения узкой части спектра определенной длины волны;
|
|
|
фотоумножитель, который детектирует, усиливает и измеряет интенсивность результирующего светового потока;
регистрирующее и записывающее результирующий сигнал устройство.
Источник света испускает поток луча, спектр которого характерен для определяемого элемента. Этот поток фокусируется через абсорбционную ячейку и монохроматор, где выделяется характерная для исследуемого элемента область спектра. Затем поток направляется в фотоумножитель и преобразуется в электрический сигнал. Величина последнего зависит от интенсивности поступающего в фотоумножитель светового потока и регистрируется специальным устройством.
Сравнивая результаты измерений в исследуемой пробе с результатами измерении в стандартных растворах, определяют содержание элемента в пробе.
В качестве источников излучения при определении содержания рассматриваемых металлов, как правило, используют лампы с полым катодом, являющиеся источниками линейных спектров. Катод такой лампы имеет форму полого цилиндра или стакана. Объем лампы заполнен инертным газом (неоном или иногда аргоном). Существуют многоэлементные лампы с полым катодом, например для определения содержания меди и цинка или меди, цинка, свинца и кадмия. Они бывают очень удобны. Их преимуществом является снижение затрат времени на прогрев ламп. Однако такие лампы, как правило, продуцируют излучение более низкой энергии, чем одноэлементные лампы, что в результате приводит к ухудшению чувствительности; могут возникать спектральные помехи, приводящие к изгибам на калибровочной кривой; продолжительность эксплуатации таких ламп существенно меньше, чем одно-элементных.
|
|
|
Для атомизации пробы используют атомизаторы двух типов: пламенные и непламенные.
При реализации пламенного варианта ААС анализируемая проба распыляется в пламени горелки. Капли раствора быстро разлагаются до молекулярного уровня. Молекулы диссоциируют, образуя атомы отдельных элементов. Лишь около 10% исследуемого раствора действительно попадает в пламя, что является одной из причин, ограничивающих чувствительность метода. Другой важной причиной является короткое время существования атомов элементов в пламени.
Газовые смеси могут быть стехиометрическими, обедненными (с содержанием горючего в количестве менее стехиометрического) и обогащенными (с содержанием горючего в количестве больше стехиометрического). Обедненную смесь называют окислительной, обогащенную – восстановительной.
|
|
|
Для определения таких металлов, как медь, цинк, железо, свинец и кадмий, в основном применяют пламя ацетилен – воздух, реже пропан—воздух.
Пламя ацетилен – оксид азота (I) благодаря его высокой температуре рекомендуется для определения элементов с высокой энергией диссоциации (вольфрам, ванадий, молибден). Пламя пропан – воздух и водород – воздух главным образом рекомендуют для анализа щелочных элементов.
Для количественного анализа, необходимо, чтобы параметры горения были постоянными. Для газовых смесей с соответствующими температурами пламени сконструировано несколько типов газовых горелок. При использовании горелок с предварительным смешением перед сгоранием происходит смешение анализируемого вещества с горючим газом и окислителем, при этом расходуется небольшая часть пробы (10—15 %), а остальная часть отделяется в смесительной камере и выводится. При использовании горелок полного сгорания (рис. 4) расходуется вся проба. Чтобы более равномерно распределить исследуемое вещество, применяют ультразвуковое распыление.
|
При реализации непламенного варианта ААС чаще всего используют высокотемпературные печи. Это в основном графитовые трубчатые печи, так называемые графитные кюветы, в которых разогрев происходит за счет пропускания электрического тока (электротермическая атомизация). В кювету вводят анализируемую пробу обычно объемом 1–100 мкл, затем нагревают кювету электрическим током. Температура кюветы повышается ступенчато, так что на первой стадии достигается сравнительно низкая температура, обеспечивающая испарение растворителя. На второй стадии температура кюветы повышается так, чтобы произошло сухое озоление пробы. И, наконец, кювета быстро разогревается до температуры 3000 °С, при которой происходит атомизация. На этой стадии к производится измерение абсорбционного сигнала. На первых двух стадиях через кювету пропускают очищенный инертный газ (аргон и азот) Но на стадии атомизации поток инертного газа обычно останавливают, с тем чтобы атомы оставались в абсорбционной ячейке по возможности дольше. |
|
|
Основными достоинствами гранитовых атомизаторов являются низкие пределы обнаружения элементов и возможность анализировать очень малые объемы проб. В среднем пределы обнаружения различных металлов при работе с графитовыми атомизаторами на 2-3 порядка ниже, чем в пламенной ААС. Определение элементов в атомно-абсорбционном методе заключается в измерении относительной интенсивности двух световых потоков. Один из них проходит через анализируемое вещество, другой является контрольным.
Одновременное измерение интенсивности двух световых потоков, один из которых проходит через пламя с анализируемым веществом, а другой нет, проводят с двухлучевыми атомно-абсорбционными спектрофотометрами. Принципиальная схема такого прибора с пламенной атомизацией анализируемого вещества представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 Принципиальная схема двухлучевого атомно-абсорбционного спектрофотометра: 1 - лампа с полым катодом; 2 - модулятор, 3 - зеркало, 4- щелевая горелка, 5 - пламя, 6 - тонкая пластинка, обеспечивающая наложение двух лучей, 7 – входная щель монохроматора, 8 - дифракционная решетка; 9 - выходная щель, 10 - фотоумножитель, 11 - усилитель, 12 - измерительный блок
Одна часть монохроматического излучения элемента от лампы с полым катодом проходит через пламя 5 и фокусируется на входной щели 7 монохроматора. Другая часть светового потока минует пламя. Затем оба световых потока совмещаются с помощью тонкой пластинки 6. Выделенное монохроматическое излучение попадает на фотоумножитель или фотоэлемент 10. Сила тока возрастает в блоке 11 и регистрируется измерительным прибором 12. Раствор поступает в пламя через горелку (атомизатор) 4, Важнейшей проблемой в атомной адсорбции является отделение резонансного излучения элемента в пламени при данной длине волны от аналитического сигнала. Для этого падающее на поглощающий слой и контрольное (не проходящее через пламя) излучение модулируют или с помощью вращающегося диска 2с отверстиями, или путем питания лампы с полым катодом переменным или импульсным током. Усилитель 11 имеет максимальный коэффициент усиления для той же частоты, с которой модулируется излучение полого катода. Лампы с полым катодом обычно одноэлементны, и, чтобы определить другой элемент, нужно сменить лампу, что увеличивает время анализа. Многоэлементные лампы, которые используют в атомно-абсорбционных многоканальных спектрофотометрах, позволяют одновременно определять несколько элементов
В большинстве приборов раствор исследуемого вещества смешивают в распылительной камере со смесью горючих газов. Затем полученную смесь подают непрерывным потоком в горелку (скорость подачи 1—2 мл/мин). В пламени горелки испаряется растворитель и образуются свободные атомы образца. В качестве источника излучения используют лампу с полым катодом, который изготовлен из того вещества, которое необходимо определить. Спектр излучения источника состоит из большого числа спектральных линий, причем характерная линия для данного элемента может быть не самой интенсивной. Поэтому большое значение имеет правильность выбора соответствующей длины волны измерения. Чувствительность метода зависит как от длины волны измерения, так и от концентрации раствора. Применение одноэлементных ламп обеспечивает необходимую чувствительность и селективность, так как атомы исследуемого элемента поглощают излучение с длиной волны, соответствующей излучению лампы. Как правило, применяют лампы, дающие интенсивное излучение необходимой длины волны.
Вариантом атомно-абсорбционной спектрометрии является метод «холодного пара», практически повсеместно используемый для определения содержания ртути в различных объектах, в том числе в молоке и молочных продуктах. Для реализации метода необходимо провести разложение пробы (например, в смеси KMnO4 + H2SO4) для получения ртути в ионной форме. Затем, используя восстановитель (обычно SnCl2), переводят ртуть в состояние элемента с высокой летучестью при комнатной температуре. Пропуская азот или воздух через раствор с восстановленной ртутью, направляют газовый поток с парами ртути в абсорбционную ячейку, расположенную на оптической оси атомно-абсорбционного спектрометра, и измеряют поглощение излучения от ртутной лампы с полым катодом. Метод высокоселективный и чувствительный.
Контрольные вопросы:
1. Сформулируйте закон Бугера-Ламберта-Бера.
2. Назовите основные источники возбуждения спектров, применяемые в атомной спектроскопии.
3. Назовите основные узлы атомного спектрометра.
4. Назовите основные стадии атомно-абсорбционной спектроскопии.
5. Что такое фотоэлектроумножитель?
6. В чем сущность метода «холодного пара».
7. Назовите область применения методов атомной спектроскопии?
Список литературы
1. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. В 2 т. Т.1: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / Ю.М. Голубков [и др.]; под ред. А.А. Ищенко. - 2-е изд., испр. - М.: Издательский центр "Академия", 2012. - 352 с.
2. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. В 2 т. Т.2: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / Ю.М. Голубков [и др.]; под ред. А.А. Ищенко. - 2-е изд., испр. - М.: Издательский центр "Академия", 2012. - 416 с.
3. Лебухов В. И. Физико-химические методы исследования [Электронный ресурс] : учебник / Лебухов В. И., Окара А. И., Павлюченкова Л. П. — СПб.: Лань, 2012. — 480 с. — Режим доступа: http://e.lanbook. com/books/element.php?pl1_id=4543
4. Вытовтов, А.А. Физико-химические свойства и методы контроля качества товаров / А.А. Вытовтов, Е.В. Грузинов, Т.В. Шленская. – СПб.: ГИОРД, 2007. - 170с.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 343; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!