Атомно-абсорбционный спектрофотометр
Министерство образования и науки Российской Федерации
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева
Кафедра общей химии и экологии
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине:
Методы и проборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг
на тему:
«Атомно-абсорбционный спектрофотометр»
Выполнила: студентка
группы 3412
Тазетдинова Айгуль.
Научный руководитель:
ст. преподаватель, к.х.н
Чижевский А.А.
Казань 2012
Содержание:
1.Введение…………………………………………………… |
3 |
1.1. …………………….. |
4 |
1.2. …………………… |
6 |
1.3. ……………………………... |
8 |
2. …………... |
11 |
3. …………………………………………. |
15 |
4. ………………………… |
19 |
5. ………………………………………………... |
22 |
Выводы…………………………………………………………… |
25 |
Список использованной литературы……………………...……………….. |
26 |
Введение
Актуальность. Данная курсовая работа посвящена физическому методу исследования и контроля состава вещества - атомно-абсорбционной спектроскопии, которая за последние годы находит все более широкое применение. Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) — сравнительно молодой аналитический метод. Она впервые была описана Уолшем в 1955 г., однако, уже в настоящее время ААС широко применяется в самых различных отраслях хозяйства, главным образом для количественного определения металлов. Атомно-абсорбционная спектрометрия — высокочувствительный аналитический метод, основанный на поглощении атомами в основном состоянии излучения, испускаемого первичным источником.
Цель курсовой работы: изучение современного состояния физических методов анализа объектов окружающей среды на примере атомно-абсорбционной спектроскопии.
Глава 1. Аналитический обзор теоретических основ атомно-абсорбционной спектороскопии
ААС используется для количественного
определения соединений металлов. Метод
основан на поглощении излучения
свободными атомами, обычно в основном
состоянии. При выборе длины волны
для данного элемента, которая
соответствует оптическому
Следует отметить, что атомно-абсорбционную
спектрометрию используют только для
количественного анализа. Количественный
анализ в ААС возможен, если поглощение
излучения связано с
а = 1-.Т (1)
Исходя из закона Бера, можно записать (формула 2):
а = 1- e k* l (2)
где k-коэффициент поглощения, а l-длина оптического пути поглощения. В случае, когда поглощение имеет место при переходе из основного состояния 0 в возбужденное состояние т, коэффициент k определяется как (формула 3):
(3)
где и -статистические веса возбужденного и основного состояний соответственно,
- "эффективная ширина
аналитической линии, т. е.
Заселенность основного состояния практически равна общей заселенности. Оптическую плотность Апогл определяют как (формула 4):
(4)
Значения оптической плотности 0,0044, 0,301, 1 и 2 соответствуют 1%, 50%, 90% и 99% поглощения.
Можно легко вывести, что оптическая плотность равна (формула 5):
(5)
Оптическая плотность пропорциональна концентрации элемента.
Использование логарифма
степени пропускания дает возможность
получить линейную зависимость от концентрации
определяемого элемента. Эта зависимость
практически линейна в
1.1. Устройство атомно-абсорбционного спектрометра
Атомно-абсорбционный
Рис.1 Принципиальная схема атомно-абсорбционного спектрометра
1 — первичный источник излучения; 2 — атомизатор; 3 — проба; 4 ~ горючий газ и окислитель; 5 — оптическая диспергирующая система; 6 — детектор; 7—сбор и обработка данных; 8 — редактирование данных.
Вот как выглядят современные
атомно-абсорбционные
Рис.2 Исследовательский спектрометр AA 280
Прибор имеет фиксированные гнезда для 8-ми ламп и монохроматор с фокусным расстоянием 33 см, выпускается в вариантах 280FS (Fast Sequential со встроенным блоком управления приставками SIPS) и 280Z (специализированный варант с графитовым атомизатором GTA-120 и источником питания для ультраламп - 4 из 8-ми позиций). Графитовый атомизатор GTA-120 имеет дополнительный газовый канал для независимого регулирования продувки внешней стороны и внутренней части графитовой кюветы, что существенно удлиняет срок службы кювет. Атомизатор может работать в режиме переменного магнитного поля, и оснащен несоосной камерой для визуального наблюдения процессов, проходящих в кювете при сушке, озолении и атомизации проб в режиме on-line.
Сочетание режима FS (быстрый последовательный анализ), большое количества позиций для ламп, в т.ч. и многоэлементных, возможность переключения режимов абсорбции и эмиссии, наличие приставок SIPS и скоростных автосэмплеров SPS-2 и SPS-3, реализация принципов предварительного считывания (preemptive sampling, окончания интегрирования во время перемещения пробоотборника к следующему образцу) и подвижной станции промывки (travelling rinse, размещение камеры с промывающим потоком непосредственно на пробоотборнике) обеспечивают высочайшие параметры производительности прибора, сравнимых, а иногда и превышающих пропускную способность эмиссионных спектромтеров ИСП.
Рис.3 Спектрометры AA 50/55
Отличаются невысокой
стоимостью, наличием встроенной системы
обработки данных с интерфейсами
на многих языках, включая русский,
широко используются в промышленности
и при проведении экологического
мониторинга. Это - 2-х ламповые модели
со встроенной системой управления/обработки
данных, которые также могут
Для проведения автоматизированного анализа большого количества проб оптимально подходят приборы с внешней системой обработки данных, позволяющие анализировать большие серии проб, а также разводить образцы, делать стандартные добавки в пламени и калибровку из единственного стандартного раствора в полностью автоматическом режиме.
Для лабораторий с большим потоком проб, требующих определения многих элементов,подходит такой вид атомно-абсорбционных спектрометров, позволяющий проводить многоэлементный анализ со скоростью, превышающей скорость анализа на последовательном ИСП-спектрометре. При работе с автосэмплером SPS время на анализ 10 элементов (Na, Ca, Cr, Cu, Mg, Fe, Co, Ni, Pb) в 20 пробах (режим PROMT, считывание 5 сек, заданная точность анализа 2%, время задержки 10 сек) сокращается с 1 часа 36 мин до 46 мин.
1.2 Оптические переходы, используемые в ААС
атом абсорбционный спектрометрия фармацевтический
Оптические переходы, используемые в ААС, обычно осуществляются между основным состоянием (или состоянием близким к основному) и первым возбужденным уровнем (резонансные уровни). Заселенность различных уровней описывается законом Больцмана, который гласит, что заселенность пропорциональна экспоненте (-Е), где Е — энергия возбуждения рассматриваемого уровня. Следствием этого является быстрое убывание заселенности при увеличении Е. Другими словами, когда температура источника свободных атомов меньше 5000 К, большинство атомов находится в основном состоянии.
Даже при высоких температурах из-за экспоненциальной заселенности возбужденных уровней большинство атомов остается в основном состоянии.
Так как поглощение излучения
пропорционально числу атомов в
основном состоянии, становится понятным,
почему ААС является эффективным
методом. Кроме того, спектры поглощения
намного более просты, чем спектры
испускания. В противоположность
атомно-эмиссионной
Так, например, в случае алюминия наиболее часто используют линии Al 309,28 нм, Al 308,22 им, т. е. переход между подуровнями Зр и 3d, а также Al 396,15 нм и Al 394,40 нм, т. е. переход между подуровнями Зр и 4s (рисунок 4):
Рис.4 Наиболее вероятные переходы электронов атомов Al
Атомы, возбужденные при поглощении излучения, вновь испускают эмиссионные линии не только той же длины волны, что и поглощенное излучение, но и других длин волн. Такая излучательная дезактивация носит название атомной флуоресценции. Когда наблюдают ту же длину волны, процесс называют резонансной флуоресценцией. Процесс флуоресценции фактически представляет собой комбинацию процессов поглощения и испускания. Флуоресцентные спектры обычно очень просты и накладываются на более сложные эмиссионные спектры, при этом флуоресцентные линии более интенсивны, чем эквивалентные эмиссионные линии.
Когда используют интенсивный
источник первичного излучения (например,
лазер), атомно-флуоресцентная спектрометрия
(АФС) может быть использована как
аналитический метод. В этом случае
источник первичного излучения располагают
под углом к остальной
1.3 Источники первичного излучения
Наиболее часто в качестве источников первичного излучения используют лампы с полым катодом (ЛПК) (рисунок 5) и безэлектродные разрядные лампы (БРЛ).
Рис.5 Устройство лампы с полым катодом
Как это выглядит (рисунок 6):
Рис.6 Лампа с полым катодом
Оба этих источника относятся к числу разрядов низкого давления. Лампа с полым катодом состоит из полого катода, изготовленного из высокочистого металла, спектр которого необходимо получить, с внутренним диаметром 2-5 мм. В некоторых случаях для изготовления многоэлементных ЛПК катод может быть выполнен из нескольких металлов. Однако такие лампы не получили широкого распространения из-за компромиссных условий, которые приводят к потере чувствительности. Катод и анод размещены в стеклянном цилиндре. Высокое напряжение и ток до 30 мА используют для создания разряда, который сосредоточен внутри полого катода. Величина тока представляет компромисс между интенсивностью и уширением линии вследствие самопоглощения. Буферный газ — Аг или Ne под давлением 1-5 ммJ рт.ст. Неон предпочтительнее для элементов с высоким потенциалом ионизации. В результате процессов распыления и возбуждения атомов ионами буферного газа испускаются узкие интенсивные линии. Для пропускания света используют прозрачное кварцевое окно. ЛПК обычно устанавливают на ручную или автоматическую турель и перед работой прогревают. Для многоэлементных систем ААС используют смеситель лучей, чтобы объединить выходное излучение нескольких ЛПК. Успех метода ААС с очевидностью зависит от наличия ЛПК.
В случае летучих элементов, таких, как As или Se, испускаемая ЛПК энергия может быть довольно мала. Альтернативой является использование БРЛ, состоящих из запаянной кварцевой трубки, которая содержит определяемый элемент или его соль с аргоном в качестве буферного газа.
Устройство безэлектродной разрядной лампы (рисунок 7):
Рис.7 – Безэлектродная разрядная лампа
1 — запаянная трубка; 2 — кварцевая ячейка; 3 — газ (Аг или Nе); 4 — вещество.
Разряд поддерживают с помощью высокочастотного поля через антенну или катушку. ВЧ-энергия служит как для испарения элемента, так и для его возбуждения. Испускание, получаемое из БРЛ, обычно более интенсивно, чем испускание от ЛПК. БРЛ используют, как правило, для определения As или Se, но иногда также для Cd, Hg, Pb, Sb.
В похожих задачах можно
использовать другой интенсивный источник
первичного излучения — ЛПК с
увеличенным напряжением; при этом
в уже имеющуюся схему питания
добавляют вторичный
Чтобы подавить эмиссию элемента, в атомизаторе используют модуляцию пучка, испускаемого источником первичного излучения.
Чтобы отличить свет, испускаемый
источником первичного излучения, от света,
испускаемого определяемым элементом
в атомизаторе, необходимо провести
модуляцию источника. Это может
быть осуществлено механически с
помощью вращающегося прерывателя
или электронной модуляцией тока
ЛПК с использованием импульсного
источника питания. Импульсная модуляция
тока является общепринятым способом
модуляции в производимых приборах.
Для отделения
Описаны также некоторые
другие источники первичного излучения,
такие, как диодные лазеры или
источники сплошного спектра. Последние
представляют собой ксеноновые дуговые
лампы высокого давления, испускающие
интенсивный непрерывный
1.4 Источник свободных атомов
Роль атомизатора заключается в том, чтобы перевести пробу в свободные атомы, главным образом в основном состоянии. Свободные атомы должны находиться на оптическом пути между источником первичного излучения и диспергирующей системой так, чтобы длина поглощающего слоя была большой. Идеальный атомизатор должен осуществлять полную атомизацию пробы. Обычно используют атомизаторы двух типов - пламя и электрический атомизатор (печь).
Вот некоторые рекомендации по использованию атомизатора при анализе различных металлов:
Пламенной атомизацией могут быть определены: Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru. Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os. Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb. Bi. Ce, Fr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm Yb, Lu, Th, U.
Электротермической атомизацией могут быть определены: Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Mo, Tc, Ru. Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, La, Re, Os. Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb. Bi. Fr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm Yb, Lu, U.
Для анализа низких концентраций следующих элементов методом атомной абсорбции требуется применение ртуть-гидридной системы: Hg, Ge, As, Bi, Sb, Se, Sn, Te, Pb. /7/.
АВ - ацетилен-воздух
АЗА - ацетилен-закись азота
** - анализ в режиме эмиссии
1.5. Оптические диспергирующие системы
Большинство производимых систем ААС основаны на одноэлементном определении. Для выбора линий используют, следовательно, монохроматор на основе вращающейся плоской решетки. Недавно были разработаны системы с одновременным многоэлементным определением, использующие полихроматор на основе решетки эшелле 79 штрих/мм с применением дисперсии на скрещенных пучках для получения двумерных спектров./1/
Основным отличием от атомно-эмиссионной спектрометрии является тот факт, что практическое разрешение менее существенно в ААС. Обычно используют короткие фокусные расстояния (0,25-0,5 м), решетки 1200-1800 штрих/мм и ширины щелей 0,2-1 мм. Полезный спектральный диапазон составляет 180-860 нм, а обратная линейная дисперсия - от 0,1 до 2нм/мм.
Для компенсации возможного дрейфа источника первичного излучения используют двулучевую схему.
1.6 Детекторы
В монохроматорах применяются фотоэлектронные умножители, тогда как в полихроматорах на основе решеток эшелле — новые твердотельные детекторы, которые включают набор фотодиодов. Свыше 60 фотодиодов используются как для первичных, так и для вторичных линий наиболее важных элементов.
В пламенной ААС постоянный сигнал интегрируют в течение нескольких секунд. Атомно-абсорбционная спектрометрия с графитовой печью (ГП-ААС) дает нестационарный сигнал в форме пика. Измерение оптической плотности проводят как по высоте, так и по площади пика. Измерение высоты пика, соответствующее максимальной оптической плотности, приводит, к более высокой чувствительности, но зависит от кинетики атомизации (изменение формы пика для разных основ) и более чувствительно к химическим помехам. Измерение площади пика более толерантно по отношению к влиянию основы, так как измерение учитывает общее число поглощающих атомов и, следовательно, более надежно.
1.7 Чувствительность
Для оценки чувствительности
атомно-абсорбционной
Чувствительность есть изменение сигнала для данного изменения концентрации определяемого элемента. В методе ГП-ААС чувствительность определяют как характеристическую массу, т. е. концентрацию, выраженную в пг, которая приводит к оптической плотности А, равной 0,0044, что эквивалентно 1% поглощения. Характеристическую массу используют для проверки работоспособности прибора и сравнения атомно-абсорбционных спектрометров. Характеристическая масса зависит не только от определяемого элемента, но и от способа измерения сигнала (высота или площадь пика). Значения характеристических масс находятся в диапазоне от 0,3 пг (Cd, Mg, Zn) до 2000 пг (Р)
1.8. Помехи
1.8.1 Химические помехи
Как пламенная, так и электротермическая
ААС могут быть чувствительны
к влияниям основы пробы, вызывающим
изменение в образовании
1.8.2 Элементный анализ
ё
Для уменьшения влияния основы
в атомно-абсорбционной
При использовании пламени
ацетилен-воздух оптическая плотность
кальция уменьшается в
Примером модификатора матрицы является NH4NO3, который используют для удаления хлоридов:
NaCl + NH4NO3 = NH4CI + NaNО3 (6)
В этом случае NH4CI удаляется на стадии озоления, а оставшийся NaNOз не мешает атомизации.
Многие летучие элементы, такие, как As, Se, Zn и Cd, могут быть стабилизированы с помощью модификаторов определяемого элемента, например. Хотя механизмы стабилизации определяемого элемента изучены мало, имеются сообщения о промежуточных соединениях типа PdsAs2 или NiSe. Используя эффективный модификатор, например, Pd, можно стабилизировать легколетучие элементы, такие, как As или Se, до температуры выше 1300°С без существенных потерь./1/ Несмотря на достаточную эффективность использования модификаторов, этот метод имеет свои ограничения, поскольку для каждого модификатора существует свой предел качественного и количественного состава матрицы. Поэтому другим способом снижения влияния матрицы служит пространственное и временное разделение зон испарения и атомизации, реализуемое в двухступенчатых атомизаторах. Дополнительная стадия термической подготовки пробы и фракционной конденсации ее паров позволяет существенно снизить матричные влияния и обеспечить прямой атомно-абсорбционный анализ твердых и сильно минерализованных жидких образцов. Недостатком подобных систем является сложность конструкции, препятствующая их широкому применению.
Глава 2. Аналитический обзор существующего прибора на основе литературных источников
Спектрофотометр атомно-абсорбционный
«Формула ФМ400»
Спектрофотометр атомно-абсорбционный «ФОРМУЛА ФМ 400» (именуемый далее «спектрофотометр»), предназначенный для количественного измерения содержания металлов (более 60 элементов) в различных растворах, в природных водах, в промышленных стоках технологических и прочих.
Область применения спектрофотометра: металлургия, добывающая промышленность, экология, медицина, производство лекарственных средств, пищевая промышленность, контроль качества воды и пищевых продуктов, а также в любой другой научной, производственной или контролирующей деятельности, где необходимо определение содержания металлов в различных объектах исследования.
Спектрофотометр предназначен
для эксплуатации в закрытых помещениях
(аналитические лаборатории
Спектрофотометр изготовлен в климатическом исполнении ХЛ категории 4.2. по ГОСТ 15150.
2.1 Устройство прибора
Схема узлов прибора:
1.корпус
2.атомизатор
3.осветительное устройство
4.измерительным блоком
5 устройство управления
6.блок питания
7.газораспределительный блок
8.персональный компьютер
1
4
Рис.8 Схема узлов
прибора
Блок газораспределительный
Газораспределительный блок обеспечивает стабильное горение пламени и взрывобезопасный режим работы прибора.
Автоматический режим обеспечения безопасности осуществляет блокировку работы газораспределительного блока в случае:
-угасания пламени,
-падения давления газов на входе в прибор,
-падения давления
окислителя на входе в
-падения давления воздуха при работе с пламенем ацетилен – закись азота,
-случайного выключения
подачи закиси азота, при
азота,
-включения подачи горючего газа без поджига пламени,
-аварийного отключения электроэнергии.
Блокировка работы газораспределительного блока заключается в прекращении подачи горючего газа и закиси азота с одновременной продувкой всей системы сжатым воздухом.
Рис.9 Схема принципиальная
9 – ресивер
10 – клапан редукционный
11 – фотодатчик
12 – дроссель регулируемый
13 – расходомер
14 – клапан электромагнитный
15 – клапан обратный
16 – электропереключатель пневматический
17 – блок управления

- Атомное ядро. Опыты Резерфорда
- Атомные электростанции
- Атония преджелудков
- АТП в условиях рыночной экономики
- Атрибутивные процессы в социальном самопознании
- Атрибутика бренда
- Атрибутика бренда
- Атомистическое учение в античной философии
- Атомна енергетика України у системі РПС
- Атомна спектроскопія поглинання. Атомна емісійна спектроскопія
- Атомная электроэнергетика
- Атомная энергетика
- Атомная энергетика в социальной рекламе
- Атомная энергетика. Принципы работы и проблемы развития