Разработка малогабаритного Зеемановского атомно-абсорбционного анализатора с газоразрядным атомизатором для анализа жидкостных и воздушных проб тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.02, кандидат технических наук Супрунович, Станислав Александрович

• Супрунович, Станислав Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Супрунович, Станислав Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ АТОМИЗАЦИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АТОМНО-АБСОРБЦИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ДЛЯ АНАЛИЗА РАСТВОРОВ И

АЭРОЗОЛЕЙ.

1.1. Пламенная атомизация.

1.2. Электротермическая атомизация.

1.3. Газоразрядная атомизация.

1.4. Процессы, в полом катоде.

1.5. Анализ аэрозолей в атомно-абсорбционной спектрометрии

ГЛАВА 2. АТОМИЗАТОР С КОАКСИАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ

ТОНКОСТЕННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОЛОГО

КАТОДА.

2.1. Экспериментальная система.

2.2. Исследование разрядной ячейкой с диэлектрическим корпусом.

2.3. Исследование разрядной ячейкой с металлическим корпусом.

ГЛАВА 3. АТОМИЗАТОР С ОРТОГОНАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ТОНКОСТЕННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОЛОГО КАТОДА.

3.1. Обоснование ортогонального расположения ТМПК.

3.2. Исследование зависимости чувствительности от давления в разрядной ячейке.

ГЛАВА 4. СИСТЕМА ВВОДА ПРОБЫ В ТМГЖ.

4.1. Описание экспериментальной системы ввода пробы.

4.2. Исследование системы ввода пробы с краном-дозатором.

4.3. Исследование «капиллярной» системы ввода пробы.

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ АЭРОЗОЛЕЙ, ОСАЖДЕННЫХ

УДАРНЫМ СПОСОБОМ В ТМПК.

5.1. Описание экспериментальной системы для анализа аэрозолей.

5.2. Определение эффективности ударного осаждения аэрозолей в ТМПК.

5.3. Определение элементов в сигаретном дыме.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка малогабаритного Зеемановского атомно-абсорбционного анализатора с газоразрядным атомизатором для анализа жидкостных и воздушных проб»

В настоящее время одним из актуальных направлений развития аналитического приборостроения является создание мобильных систем анализа, анализаторов и устройств, позволяющих измерять содержание тяжелых металлов в точке пробоотбора, как в жидких, так и в воздушных пробах. Такие системы востребованы при экологическом контроле воздуха и природных вод, анализе промышленных стоков и дымовых выбросов. Подобные анализаторы должны отвечать основным требованиям, предъявляемым к аналитическому оборудованию - высокая чувствительность, высокая селективность, незначительное влияние матричного эффекта, низкие пределы обнаружения, а также широкий диапазон определяемых концентраций элементов. Кроме того, необходимо наличие специфических характеристик, свойственных именно мобильным системам, таких, как способность осуществлять анализ проб непосредственно в точке пробоотбора, небольшие размеры, малые потребляемые мощности, минимальная предварительная пробоподготовка и небольшой расход балластного газа.

На данный момент, в элементном анализе лидирующие позиции занимают такие методы, как оптическая эмиссионная (ИСП ОЭС) и масс-спектрометрия (ИСП МС) с индуктивно связанной плазмой, а также атомно-абсорбционная спектрометрия (А АС). Основным преимуществом методов ИСП ОЭС и ИСП МС является многоэлементность в сочетании с относительно низкими пределами обнаружения. Однако, оборудование, позволяющее реализовать эти методы, энергоемко и крупногабаритно, что затрудняет возможность его использования в мобильных системах. Кроме того, при ИСП МС достаточно велик расход газа.

Метод ААС, в принципе, отвечает основным требованиям, указанным выше, так как обладает высокой чувствительностью, позволяют определять широкий круг элементов. Но существует ряд особенностей, которые не позволяют создать мобильный вариант подобных анализаторов, а также исключают их применение в мониторинговых системах. Во-первых, анализаторы, в которых в качестве атомизатора используется графитовая печь, требуют мощного источника питания, около 10 кВт. Во-вторых, графитовая печь, в зависимости от температуры, рассчитана на 150-200 циклов атомизации, и этот ресурс будет быстро вырабатываться при работе в мобильном режиме. Наконец, для работы анализатора с графитовой печью требуется расход аргона высокой чистоты до 1 л/мин. А в случае пламенного атомизатора требуется несколько баллонов с взрывоопасными газами (закись азота, ацетилен, кислород и др.), так как для атомизации пробы используются различные газовые смеси, то есть такой анализатор требует при работе постоянного оперативного контроля.

Одним из возможных вариантов, позволяющих решить указанные выше проблемы, является создание атомно-абсорбционного анализатора с атомизатором, работающим на основе тлеющего разряда в тонкостенном металлическом полом катоде (ТМПК) в комбинации с методом Зеемановской модуляционной поляризационной спектроскопии с высокочастотной модуляцией поляризации (ЗМПСВМ). Такая система малогабаритна, имеет низкий расход рабочего газа - аргона, требует небольшого расхода электроэнергии для атомизации пробы, и, обладая достаточно низкими пределами обнаружения, позволяет определять достаточно широкий круг элементов. Кроме того, представляется возможность определения содержания элементов в воздухе практически без предварительной пробоподготовки.

Целью данной работы являлось создание мобильной аналитической системы на основе атомно-абсорбционного спектрометра с Зеемановской модуляционной поляризационной спектроскопией с высокочастотной модуляцией поляризации в комбинации с тонкостенным металлическим полым катодом в качестве атомизатора, предназначенной для анализа жидкофазных и газообразных проб в реальном масштабе времени непосредственно в точке пробоотбора.

Заключение диссертации по теме «Аналитическая химия», Супрунович, Станислав Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан и исследован новый вариант газоразрядного атомизатора с расположением ТМПК ортогонально оптической оси и аксиально относительно магнитного поля атомизатора. Использование ортогональной геометрии расположения ТМПК позволяет снизить пределы обнаружения в 7-10 раз по сравнению со стандартной геометрией ТМПК.

2. Создана и опробована система ввода пробы в ТМПК без разгерметизации разрядной ячейки. Система обеспечивает ручной и автоматический ввод пробы в катод с памятью менее чем 2%.

3. Разработана система ударного осаждения аэрозолей в полом катоде с эффективностью осаждения 74%.

4. Предложено объяснение механизма высокоэффективного ударного осаждения аэрозолей в катоде.

5. Полученные аналитические характеристики разработанного анализатора позволяют определять фоновые содержания элементов в природных водах и воздухе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Супрунович, Станислав Александрович, 2005 год

1. Аналитическая атомно-абсорбционная спектроскопия. М.: Мир, 1976

2. Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. Издательство: Эдиториал УРСС, 896 стр., 2001.

3. Брицке М. Э. Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ. М.: Химия, 1982

4. Хавезов И., Цалаев Д. Атомно-абсорбционный анализ. Л.: Химия, 1983

5. L"vov В. V. Graphite furnace AAS — on the way to absolute analysis //J. Anal. At. Spectrom. 1988, V.3, P.9-12

6. Salmon S.G., Holcombe J. A. Study of the thermochemical parameters of atom formation in graphite furnace atomic absorption spectrometry //Anal. Chem. 1982, V.54, P.630-634

7. Manning D.C., Slavin W. The determination of thallium with the stabilized platform furnace and Zeeman background correction // Spectrochim. Acta 1988, V.43B, P. 1157-1165.

8. Subramanian K. S., Meranger J. C., MacKeen J. E. Graphite furnace atomic absorption spectrometry with matrix modification for determination of cadmium and lead in human urine // Anal. Chem., 1983, V.55, P.1064-1067

9. Freeh W., Hadgu N., Henriksson D. Characterization of a pressurizable two-step atomizer for atomic absorption spectrometry // Spectrochim. Acta 2000, V.55B, P. 461-472

10. Нагулин К. Ю., Гильмутдинов Ф. Ч., Акснер О, Фреш В. Пространственно-временная визуализация динамики поглощающих слоев в двухступенчатом атомизаторе // Оптический журнал, 2002, Т.69, №10, С.З

11. Gilmutdinov A. K., Welz В., Sperling M. Пат. 5981912, США, 1999

12. Нагулин К. Ю., Гильмутдинов А. X. Сравнительные исследования влияния матрицы пробы на атомную абсорбцию легколетучих элементов в двухстадийном и стандартном атомизаторах //Журн. аналит. химии, 2004, Т.59В, №11, С.1155-1162

13. Suzuki M., Ohta K., Yamakita Т., Katsuno T. Mechanism of atom formation in a molybdenium microtube atomizer // Spectrochim. Acta 1981, V.36B, P.679-686.

14. Львов Б. В. Атомно-абсорбционное определение щелочноземельных и редкоземельных элементов в футированной фольгой графитовой печи с платформой из тантала // Журн. Аналит. химии, 1988, Т.43, С.46-50.

15. Littlejohn D., Egila J. N., Gosland R. M., Kunwar U. K., Smith C. Graphite furnace analysis getting easier and achieving more? // Anal. Chim. Acta, 1991, V.250, P.71-84.

16. Львов Б. В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ // Москва, Наука, 1966

17. У. Славин Атомно-абсорбционная спектроскопия. Л., Химия, 1971

18. Bogaerts A., Quentmeier A., Jakubowski N., Gijbels R. Plasma diagnostics of an analytical Grimm-type glow discharge in argon and in neon: Langmuir probe and optical emission spectrometry measurements // Spectrochim. Acta 1995, V.50B, P. 1337-1349

19. Ferriera N.D., Human H.G., Buttler L.R.P. Kinetic temperatures and electron densities in the plasma of a side view Grimm-type glow discharge // Spectrochim. Acta 1980, V.35B, P. 287-295

20. Hoffman V., Ehrlich G. Investigations on the lateral distribution of the emission line intensities in the plasma of a Grimm-type glow discharge source // Spectrochim. Acta 1995, V.50B, P. 607-616

21. Harrison W.W., Barchick C.W., Klinger J.A., Patliff P.H., and Mei Y. Glow discharge techniques in analytical chemistry // Anal. Chem. 1990, V.62, P.934A-949A

22. Танеев А.А.,Сляднев M.H., Шолупов C.E. Тонкостенный металлический полый катод как атомизатор для Зеемановской модуляционной поляризационной спектроскопии // ЖАХ, 1998, Т.53, С. 387-393

23. Дробышев А.И. Поверхностный слой с измененным содержанием элементов и его влияние на правильность результатов послойного анализа многокомпонентных материалов с использованием ионного распыления // Журн. аналит. химии 1987. Т.42. С.2265-2268.

24. Дробышев А.И., Горчакова Е.В., Туркин Ю.И. Исследование источника света с охлаждаемым полым катодом для возбуждения спектра монолитных диэлектрических проб // Журнал прикл. спектроскопии. 1982. Т.36.С.903-907.

25. A.A.Ganeev, S.E,Sholupov A thin-walled metallic hollow cathode as an atomizer for Zeeman atomic absorption spectrometry // Spectrochimica Acta, 1998, V.B53, P. 471-486.

26. Танеев А.А., Дробышев А.И., Сляднев M.H., Шолупов C.E. Тонкостенный металлический полый катод как атомизатор для Зеемановской атомно-абсорбционной поляризационной спектроскопии // Журн. аналит. химии. 1996.

27. Максимов Д.Е., Рудневский Н.К., Рудневский А.Н., Шабанова Т.М. Спектральный анализ с применением разряда в полом катоде. // Изд-во Горьковского университета. Горький. 1983. 72 С.

28. Glow discharge optical emission spectrometry, ed. R. Pauling, D. Jones and A. Bengston // John Wiley and Sons, New York, 1997

29. Метель А. С. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом // ЖТФ, 1984, т. 54, с. 241247

30. В. И. Кириченко и др. Влияние геометрических размеров, материала катода и рода газа на область оптимальных давленийтлеющего разряда с цилиндрическим полым катодом // ЖТФ, 1976, т. 46, В. 9, С. 1857

31. С. П. Никулин. Влияние размеров анода на характеристики тлеющего разряда с полым катодом // ЖТФ, 1997, т. 67, №5, С. 43-47

32. С. П. Никулин. Тлеющий разряд с полым катодом в длинных трубках // ЖТФ, 1989, т. 68, №5, С. 20-24

33. В. Г. Гречаный, А. С. Метель. Влияние граничных условий на характеристики тлеющего разряда с полым катодом // ЖТФ, 1982, т. 52, С. 73

34. Б. И. Москалев. Разряд с полым катодом. «Энергия», М. (1969).

35. В. С. Бородин и Ю. М. Каган. Исследование разряда в полом катоде. ЖТФ, 1966, т. XXXVI.

36. К. Ishii, К. Amato and Н. Hamakake. Hollow cathode sputtering cluster source for low energy deposition: Deposition of Fe small clusters. J. Vac. Science and Technol. A, 17/1999

37. Ю. П. Райзер Физика газового разряда. М., Наука, 1987

38. Е. П. Велихов, А. С. Ковалев, А. Т. Рахимов. Физические явления в газоразрядной плазме. М., Наука, 1987

39. Москалев Б. И. Газовый разряд с полым катодом. М., Энергия, 1969

40. Баталов А. Е., Беркаев Д. Е., Волков Е. Н., Николаев И. Б. Исследование газового разряда в системе с полым катодом, 1996

41. Дробышев А. И., Риш А. М., Туркин Ю. И. Исследование особенностей атомизации в разряде с охлаждаемым полым катодом для целей атомно-абсорбционного анализа, Вестник ЛГУ, 1982, №16, 117-119

42. Танеев А. А., Григорян В. Н., А. И. Дробышев, М. Н. Сляднев, С. Е. Шолупов. Аналитическая резонансно-ионизационная спектроскопия с импульсной атомизацией пробы в полом катоде //Журн. аналит. химии, 1996, Т.51В, №8, С.849-854

43. Пупышев A.A., Данилова Д.А. Атомно-эмиссионный спектральный анализ с индуктивно связанной плазмой и тлеющим разрядом по Гримму. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. 202 с.

44. A. Bogaerts, R. Gijbels, and G. P. Jackson. Modeling of a millisecond pulsed glow discharge: Investigation of the afterpeak // J. Anal. At. Spectrom., 2003, V. 18, P. 533-548

45. Танеев А.А.,Сляднев M.H., Шолупов C.E. Ионно-термический механизм атомизации сухих остатков растворов в тонкостенном металлическом полом // ЖАХ, 1998, Т.53, С. 1261-1266.

46. Bogaerts A., Van Straaten М., Gijbels R. Monte Carlo simulation of an analytical glow discharge: motion of electons, oins and fast neutrals in the cathode dark space // Spectrochim. Acta 1995, V.50B, P.179-196

47. E. W. McDaniel and E. A. Mason. The mobility and diffusion of ions in gases // Wiley, New York, 1973

48. Танеев А.А.,Сляднев M.H., Шолупов C.E. Сравнительное исследование ударного и электростатического осаждения в тонкостенном металлическом полом катоде // ЖАХ, 1998, Т.53, С. 1045-1050.

49. Torsi G., Palmisano F., Cosmai G., Kabil M. A. Recent instrumental improvements in the electrostatic accumulation furnace for electrothermal atomic absorption spectrometry// Annali di Chimica, 1987, V.77, P.917-923.

50. Torsi G., Bergamini G. Automatic apparatus for lead determination in air particulate matter // Annali di Chimica, 1989, V.79, P.45-57.

51. Sneddon J. Determination of lead in air particulate matter with impaction system atomic absorption spectrometry // Anal. Chem., 1984, V.56, P.1982-1986.

52. П.Райст. Аэрозоли // М:Мир,1987, 280 С.

53. МакДаниель Е., Мэзон Е. Подвижность и диффузия ионов в газах // М.: Наука. 1976. 425 С.

54. Мониторинг и методы контроля окружающей среды/Ю.А. Афанасьев, С.А. Фомин, В.В. Меньшиков и др. // М.: Изд-во МНЭПУ, 2001.

55. Дмитриев М.Т., Казнина Н.И., Пинигина И.А. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде.//М.: Химия, 1989.

56. Муравьева С.И., Казнина Н.И., Прохорова Е.К. Справочник по контролю вредных веществ в воздухе. // М.:Химия, 1988.

57. Муравьева С.И., Буковский М.И., Прохорова Е.К. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны.//М.: Химия, 1991.

58. Metal Ions in Biological Systems Edited by Helmut Sigelwith the assistance of Astrid Sigel. // V.20 Concepts on Metal Ion Toxicity Marcel Dekker Inc. NY and Basel. 1990.

59. Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. и др. Геохимия окружающей среды //М.: Недра, 1990, 201 С.

60. Вредные химические вещества. Неорганические соединения I-IV групп. Под ред. В. А. Филова // JI.: Химия, 1988, С.430

61. Смагунова А. Н., Гуничева Т. Н., Карпукова О. М., Козлов В. А. Рентгеноспектральный анализ атмосферных аэрозолей // Заводск. лаборатория, 1993, Т.59, №4, С.20

62. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186-89. М: Изд. Госкомгидромет СССР, 1991, 693 с.

63. Пушкин С. Г., Михайлов В. А. Компараторный нейтронно-активационный анализ. Изучение атмосферных аэрозолей. Новосибирск: Наука, 1989, 125 с.

64. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М., Мир, 1989, 439 с.

65. Детри Ж. Атмосфера должна быть чистой. М., 1993, 384 с.

66. Дробышев А. И., Емелина О. И. Атомно-эмиссионный спектральный анализ воздушных аэрозолей с электроразрядным отбором проб // Журн. аналит. химии, 2001, Т.56, №6, С.647-650

67. Шолупов С. Е. Зеемановская аналитическая модуляционная поляризационная спектроскопия // Изд-во СПбГУ, 2000

68. Р. Бериш. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. М., Мир, 1986

69. Дробышев А.И. // Проблемы современной аналитической химии Под ред. Москвина JI.H. 1989. N 6.

70. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных // М.: ГизФизМетЛит, 1962

71. Yatin М., Tuncel S., Aras N. К., Tuncel G. // 7-th International Conference on Nuclear Analitical Methods in the Life Sciences (NAMLS)-7). Antalya, Turkey. (16-21 June 2002). Book of Abstracts, P.91

72. Новый справочник химика и технолога. Аналитическая химия. 1, С-Пб, АНО НПО «Мир и Семья», 2002. 964 с.

73. Пупышев A.A. Практический курс атомно-абсорбционного анализа: Курс лекций. Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003.442 с

74. Дворкин В.И. Метрология и обеспечение качества химического анализа. М.: Химия, 2001. 263 с.

75. Петров А. А., Пушкарева Е. А. Корреляционный спектральный анализ веществ: в 2-х томах. СПб, Химия, 1993

76. Бок Р. Методы разложения в аналитической химии. М.: Химия, 1984, 432 с.

77. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984, 448 с

78. Huffman G. P., Huggins F. Е., Shan N., Zhao I. // Fuell process. Technol. 1994., V.39, P.47

79. Olah L., Tolguessy I. // J. Radioanal. Nucl. Chem. 1985. V.93 №1, P.43

80. Доменное производство: Справ, изд. В 2-х тт. Т.1 Подготовка руд и доменный процесс / Под ред. Е. Ф. Вегмана. М.: Металлургия. 1989. 496 с.

81. Алексеев Е. Б., Хвостенко Г. И., Чайка М. П. Интерференция атомных состояний // М.: Наука, 1991, 256 С.

82. Танеев А.А., Погарев С.Е., Рыжов В.В., Шолупов С.Е. Прямое определение элементов в пробах сложного состава методом зеемановской атомно-абсорбционной спектрометрии с высокочастотной модуляции поляризации // Зав. Лаборатория, 1999, Т 4, С.14-23.

83. Sturgeon R. Е., Willie S. N., Luong V. Т., Berman S. S., Dunn J.G. Furnace atimization plasma emission spectrometry // J. Anal. At. Spectrom. 1989, V.4, P.669-672

84. Шолупов C.E., Танеев A.A., Тимофеев А.Д., Иванков В.М. Зеемановская модуляционная поляризационная спектроскопия. Новые возможности в дифференциальном абсорбционном анализе//Журн. аналит. химии 1995, Т.50, С.648-654

85. Танеев А.А., Сляднев М.Н., Шолупов С.Е. Зеемановская модуляционная поляризационная спектроскопия как вариант атомно-абсорбционного анализа. Возможности, ограничения. // Журн. аналит. химии 1996.

86. A. Ganeev, Z. Gavare, V. I. Khutorshikov, G. Revalde, A. Skudra, G. M. Smirnova, N. R. Stankov. High-frequency electrodeless discharge lamps for atomic absorption spectrometry // Spectrochim. Acta 2003, V.58B, P. 879 889.

87. A. Menendez, J. Pisonero, R. Pereiro, N. Bordel and A. Sanz-Medel. The influence of added hydrogen to an argon direct current glow discharge for time of flight mass spectrometry detection // J. Anal. At. Spectrom., 2003, V. 18, P. 557-563

88. Николаев Г. И., Немец А. М. Атомно-абсорбционная спектроскопия в исследовании испарения металлов. М., Металлургия, 1982

89. A.Kh. Gilmutdinov, K.Yu. Nagulin, M.Sperling, B.Welz Spatial Distribution of Radiant Intensity from Primary Sources for Atomic Absorption Spectrometry. Part I: Hollow Cathode Lamps. Appl. Spectrosc., V.49, N4,, 1995, p. 413-424