поиск оборудования
Заметки
НОВЫЙ МЕТОД ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА

АТОМНО-ЭМИССИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ПЛАЗМЫ: НОВЫЙ МЕТОД ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
А.Башилов, к.х.н., ООО "Си Си Эс Сервис",
abashilov@ccsservices.ru
О.Рогова,
к.б.н., Почвенный институт им. Докучаева
Микроволновое излучение для создания плазмы горелок плазмотронов используют в производстве более 50 лет. Для аналитических целей иссле- дование возможностей микроволновой плазмы, разрядов в микроволно- вом поле проводили параллельно с разработками метода анализа, широко исполь- зуемого с 1990-х годов и известного как оптическая эмиссионная спектроскопия индуктивно-связанной плазмы (ИСП-ОЭС). Лишь недавно были определены опти- мальные условия применения микроволнового излучения для создания плазмы с целью проведения эмиссионного спектрального элементного анализа, позволив- шие начать серийный выпуск спектрометров микроволновой плазмы. Реализован- ный метод МП-АЭС дополняет возможности других широко используемых оптиче- ских спектральных методов элементного анализа – ААС и ИСП-ОЭС и, более того, обладает рядом достоинств, не имеющих аналогов.




щую, как и в ИСП-ОЭС, из распылителя и распы- лительной камеры. Полученный аэрозоль вме- сте с током азота поступает в кварцевую горелку кассетного типа с создаваемой магнетроном и охлаждаемым центральным каналом торои- дальной плазмой, в которой происходит ато- мизация и возбуждение элементов. Излучение от вертикально расположенной горелки с акси- альным обзором после пре-оптики попадает в анализатор. В качестве анализатора сигнала эмиссии в спектрометре использован монохро- матор Черни-Тернера (недорогое решение, как и магнетрон – источник плазмы), вместе с Пель- тье-термостатируемым при 0°С CCD-детектором позволяющий проводить последовательное определение элементов по сигналам эмиссии. Типичное время регистрации сигнала на одной линии элемента – 3 с. В целом конструкция спек- трометра микроволновой плазмы аналогична последовательному ИСП-ОЭС, но значительно менее дорогостоящая. Отметим использование для создания плазмы азота. Поскольку азот – доминирующий газ в воздухе и современные генераторы азота позволяют выделять его из воздуха, метод полу- чил очень простое, но важное достоинство – воз- можность работы лаборатории на воздухе без использования газовых баллонов. Итак, видно, что предложенный метод с его конструктивным воплощением в виде соз- данного компанией Agilent спектрометра, при
ПЛАМЕННАЯ ААС,
ААС С ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ
АТОМИЗАЦИЕЙ, ГИДРИДНЫЙ МЕТОД,
ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ИСП
С начала 60-х годов прошлого столетия, когда фирма Varian выпустила первый серийный атомно-абсорбционный спектрометр, большин- ство задач прецизионного лабораторного вало- вого рутинного элементного анализа стали решать методом ААС. С появлением новых удобных методов анализа – ИСП-ОЭС в 70-х и ИСП-МС в 80-х годах – возникал вопрос: “Вытес- нят ли новые методы предыдущие?”. Ответ “Пока нет” справедлив и по настоящее время. Сегодня можно говорить о том, что ситуация достаточно стабильна: большинство таких задач (более 50% в России и странах СНГ) решают методом ААС, однако значимость ИСП-ОЭС и ИСП-МС мед- ленно растет. Наметившийся паритет обуслов- лен прежде всего тем, что каждый из перечис- ленных методов обладает рядом безусловных достоинств и недостатков. Выбирая эти методы, можно быть уверенным, что типичная относительная погрешность опре- деления концентраций элементов не будет пре- вышать 1–5%. Исследуемый образец вводят в виде гомогенной жидкой пробы (хотя есть и исключе- ния – ввод проб посредством лазерной абляции или искры). Поэтому большинство проб (твердые и негомогенные жидкие) перед измерением сле- дует минерализовать, например, в автоклавных системах микроволновой пробоподготовки [1]. При выборе метода спектрального анализа обычно следует принимать во внимание сле- дующие критерии (и одновременно характери- стики методов):

- перечень определяемых элементов;
- минимальные определяемые концентрации;
- линейный динамический диапазон;
- требуемые производительность и пробопоток;
- помехи;
- количество растворенных солей в пробе;
- требуемая точность анализа;
- стоимость самого прибора (начальные вложения);
- стоимость эксплуатации (долговременные вложения).
АТОМНО-ЭМИССИОННАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ МИКРОВОЛНОВОЙ
ПЛАЗМЫ (МП-АЭС)
Несмотря на широкую популярность перечис- ленных методов, у аналитических лабораторий сегодня есть потребность в методе элементного анализа, удовлетворяющем ряду требований. Это:
- экспрессность мультиэлементного анализа в расширенном диапазоне концентраций;
- относительно невысокая себестоимость экс- плуатации;
- безопасность – без использования горючих га- зов или без газов как таковых;
- простота применения для персонала лаборато- рии, не имеющего специального опыта;
- низкие пределы обнаружения и превосходная

Критерий или характеристика | Пламенная ААС | Гидридный метод ААС | ЭТААС | ИСП-ОЭС |
Температура атомизации, °С | 1800-2900 |
1800–2900
(20 – для Hg) |
2000–2700 | 7000–9000 |
Тип измерения | Абсорбция | Абсорбция | Абсорбция | Эмиссия |
Оптический диапазон, нм | 190–900 | 190–900 | 190–900 | 120–1050 |
Газ | Ацетилен/ воздух; ацетилен/ закись азота | Аргон + газы ПААС | Аргон | Аргон |
Число определяемых элементов | 68 | 9 | 50 | 78 |
Типичное число определяемых элементов на одной единице оборудования1 | 1–12 | 1–3 | 2–7 | 15–30 |
Одновременный или последовательный | Последовательный | Последова- тельный | Последова- тельный | Одновременный2 |
Время одного элементоопределения | 10–15 с | 45–50 с | 2–3 мин | 1–3 мин на все элементы |
Количество пробы для анализа | Несколько мл | Несколько мл | 20-50 мкл | Несколько мл |
Тип ввода пробы | В потоке | В потоке | В статике | В потоке |
Типичный предел обнаружения3 , мкг/л | 1–5 | 0,05–0,2 | 0,005–0,5 | 0,1–3 |
Диапазон линейности (в скобках – при мультикалибровке) | 2–3 (3–5) | 2–4 (3–6) | 1–2 (2–3) | 3–5 (6–8) |
Тип анализируемых проб | Водные, водно-кислые и водно-щелочные растворы, растворы HF, органические растворители, эмульсии | |||
Пределы засоленности анализируемых проб | 5–7% | 5–7% | 10–15% | 30% – радиальная плазма, 10% – аксиальная плазма, 3–5% – аксиальная плазма двойного обзора |
Простота использования | Легко | Средняя | Сложно | Сложно |
Стоимость начальная (спектрометра), руб. с НДС | От 1,1 млн. | От 250 тыс. (необходим ААС) | От 2,5 млн. | От 3,5 млн. |
Стоимость эксплуатации | Низкая | Средняя | Средняя | Высокая |
2 – не рассматриваются последовательные ИСП-ОЭС
3 – обычно в 5–10 раз меньше минимальной определяемой концентрации

№ группы | Элемент | МП-АЭС | Пламенная ААС2 | ИСП-ОЭС, радиальный/ аксиальный обзор3 |
1 | K | 0,65 | 0,80 | 4/0,3 |
1 | Ca | 0,05 | 0,4 | 0,06/0,01 |
1 | Mg | 0,12 | 0,3 | 0,04/0,01 |
1 | Na | 0,12 | 0,3 | 2/0,15 |
2 | Cd | 1,4 | 1,5 | 0,6/0,05 |
2 | Cr | 0,5 | 5 | 0,9/0,15 |
2 | Pb | 4,4 | 14 | 5/0,8 |
2 | Tl | 2,1 | 15 | 6/1,5 |
2 | Ni | 1,3 | 5,8 | 1,4/0,3 |
2 | Mn | 0,25 | 1,0 | 0,08/0,03 |
2 | Cu | 0,6 | 1,2 | 1/0,3 |
2 | Fe | 1,6 | 7,3 | 0,8/0,1 |
2 | Zn | 2,8 | 1,6 | 0,5/0,2 |
3 | S | 270 | Не определяют | 9/3 |
3 | P | 40 | 26 000 | 5/1,5 |
3 | Si | 5 | 70 | 2,5/1 |
4 | Se | 70 (0,14)4 | 500 (0,15)4 | 6/2 |
4 | As | 60 (0,11)4 | 45 (0,1)4 | 5/1 |
5 | Ag | 0,5 | 1,7 | 1/0,3 |
5 | Au | 1,8 | 5 | 2,5/1 |
5 | Pt | 4,5 | 76 | 7/3 |
5 | Pd | 3,8 | 15 | 3,5/1,5 |
5 | Rh | 0,5 | 4 | 3/1 |
2 – Agilent AA240 и Varian AA220;
3 – Agilent 725 / Agilent 720, время интегрирования 30 с;
4 – в скобках c использованием гидридной приставки VGA77.
Пределы обнаружения и перечень определя- емых элементов. В табл.2 приведены пределы обнаружения элементов для метода МП-АЭС, полученные по 3σ-критерию при 10-секундном интегрировании сигналов эмиссии с тремя повторностями. Для сравнения приведены пределы обнаружения ПААС и ИСП-ОЭС, полу- ченные при 30 с интегрирования сигнала. Как известно, увеличение времени интегрирования позволяет понизить пределы обнаружения: при 30-с интегрировании пределы обнаружения эле- ментов методом МП-АЭС в 1,3–1,5 раз меньше,

Пределы обнаружения или пределы количе- ственного определения зависят и от типа пробы. Безусловно, наилучшие результаты получены при анализе воды и других проб с простыми (кислотными) матрицами и малым солевым фоном. Важная характеристика метода ана- лиза и самого оборудования связана с ухудше- нием результатов при переходе к более слож- ным матрицам. При анализе геологических проб рассчитаны пределы обнаружения эле- ментов в разных реакционных средах (табл.3). Полученные результаты незначительно хуже, чем при анализе растворов металлов в воде. По этим параметрам метод МП-АЭС сравним с ПААС и ИСП-ОЭС.
Типы анализируемых проб. Анализ слож- ных матриц. Новый метод МП-АЭС использо- вали при анализе почв, пищевых проб, руд и пород [7–9] и других проб после их пробо- подготовки и получения гомогенных жид-
Таблица 3. Пределы обнаружения некоторых элементов в разных средах, моделирующих растворы после подготовки геологических проб, методом МП-АЭС
Элемент | Среда |
Предел обнаружения, мкг/л |
Au | Вода | 1,8 |
Au | 10% "царская водка"1 | 1,6 |
Au | 0,03% NaCN + 0,08% NaOH | 3,0 |
Ag | Вода | 0,5 |
Ag | 33% "царская водка"1 | 0,6 |
Cu | Вода | 0,6 |
Cu | 33% "царская водка" | 6,0 |
1 – HNO 3 : HCl = 1 : 3 (об.конц).
Метод предоставляет ряд возможностей по оптимизации коррекции фона, разрешения линий, выбора зон обзора плазмы и т.д. Несмо- тря на наличие готовых решений по выбору линий элементов, входящих в состав программ- ного обеспечения модели 4100, ряд задач ана- лиза сложных матриц требует выбора или опти- мизации условий анализа.
Работа без газовых баллонов. Азотная плазма, реализуемая в методе МП-АЭС, может рабо- тать на воздухе лаборатории при использова- нии генератора азота. Расход азота, необходи- мый как для поддержания плазмы, так и для продувки оптики, составляет 22–23 л/мин, что несколько больше, чем требуется для типичного ИСП-ОЭС. Стандартного баллона (40 л) с азотом (150 атм) хватает на 4 ч непрерывной работы.
Производительность. Типичное время опре- деления элемента составляет 3–10 с. Большее время регистрации позволяет получить лучшую воспроизводимость результатов. Метод удобен как для определений малого количества эле- ментов, так и большого, до 70–72. По сравнению с наиболее быстрыми пламенными спектроме- трами, очевидный выигрыш в производитель- ности МП-АЭС имеет при определении более 10–15 элементов в пробе в тех ситуациях, когда


Воспроизводимость результатов и долговре- менная стабильность продемонстрированы при прямом анализе смазочных масел с их дожи- ганием в плазме. Относительная погрешность
Диапазон линейности градуировочных гра- фиков. Метод МП-АЭС имеет промежуточные между ПААС и ИСП-ОЭС диапазоны линейно- сти градуировочных графиков [7–12]. Типичные значения составляют 2,5–3,8 порядков. Благо- даря работе на нескольких линиях возможно расширение диапазона линейности до 5–6 порядков.
Ограничения метода и спектрометра. Несмо- тря на очевидные достоинства метода МП-АЭС, недостатком можно считать то, что он пока нахо- дится на стадии становления. Одна из нере- шенных проблем связана с требовательностью метода анализа к матричному фону и коли- честву растворенных солей в растворе. Несмо- тря на предварительные достаточно оптими-


Это, тем не менее, не снижает важности нового метода МП-АЭС. На наш взгляд, он, без- условно, дополняет и расширяет возможности валового спектрального элементного анализа и занимает достойное место рядом с ПААС и ИСП-ОЭС.
Литература
1. Башилов А. Микроволновая подготовка проб к элементному анализу – вчера, сегодня, завтра. – Аналитика, 2011, №1, с.6–14.
2. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких ча- стот: Пер. с англ. – М.: Энергия, 1968.
3. Ng K.C., Garner T.G. Microwave-Induced Plasma Atomic Absorption Spectrometry with Solution Nebulization and Desolvation-Condensation. – Appl. Spectroscopy, 1993, vol.47, p.241–243.
4. Власов Д.В., Сергейчев К.Ф., Сычев И.А. При- менение плазменной СВЧ-горелки в аналити- ческой спектроскопии. – Физика плазмы, 2002, т. 28, №5, с.484–492.
6. Manning T.J., Grow W.R. Inductively coupled plasma. Atomic emission spectrometry. – The Chemical Educator, 1997, vol.2, №1, p.1–19.
7. Nham T., Taylor C. Cost-effective analysis of major, minor and trace elements in foodstuffs using the 4100 MP-AES. – Agilent Application Note, 5990- 8685EN, 2011.
8. Teodoro M.S., Schiavo D., Ferreira Abreu M. Determination of metals in soil by microwave plasma – atomic emission spectrometry (MP-AES) using DTPA extraction. – Agilent Application Note, 5991-2961EN, 2013.
9. Taylor C., Reisman E. Determination of major and minor elements in geological samples using the 4100 MP-AES. – Agilent Application Note, 5990- 9014EN, 2011.
10. Amais R.S., Donati G.L., Schiavo D., Nobrega J.A. Determination of silicon in diesel and biodiesel by microwave plasma-atomic emission spectrometry. – Agilent Application Note, 5991-0490EN, 2012.
11. Costedoat M., Abdelnour Y., Lener J.-P. Cognac Analysis using the Agilent 4100 Microwave Plasma- Atomic Emission Spectrometer. European Plasma Winter Conference, 2013, HP-10.