СПОСОБ АТОМИЗАЦИИ ПРОБЫ В АТОМНО-АБСОРБЦИОННОМ АНАЛИЗЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано при количественном анализе различных минералов, металлов биологических и растительных материалов атомно-абсорбционным методом.

Известен способ атомизации пробы в атомно-флуоресцентном анализе и устройство для его осуществления [1] Согласно этому способу пробу определяемого вещества нагревают в потоке газа аналогично тому, как это предлагается в заявляемом способе. Образовавшиеся пары вещества смешивают в реакторе-смесителе с потоком водорода, температура которого на 200-500^oC превышает температуру начала взаимодействия водорода с веществом. Далее продукты реакции направляются в измерительную кювету, где завершается анализ. Устройство для реализации известного способа содержит связанные друг с другом испаритель и нагреватель, нагреватели инертного газа и водорода, реактор-смеситель и измерительную камеру.

Недостаток известного способа ограниченное число определяемых элементов (всего 3-4 элемента), так как остальные элементы не образуют летучие гидриды при заданных условиях.

Наиболее близким устройством по технической сущности к предлагаемому является устройство для атомно-абсорбционного анализа, содержащее камеру предварительного смешения газа, щелевую насадку, горелки и адаптер, причем адаптер выполнен в виде полуцилиндра с вогнутой поверхностью, обращенной в сторону горелки и установленной над щелевой насадкой горелки [2] Недостатком указанного устройства является отложение солей на стенках адаптера, приводящих к появлению шумов пламени и эффекту памяти.

Технической задачей изобретения является сокращение затрат времени на анализ, увеличение чувствительности и повышение воспроизводимости замеров.

Для достижения поставленной задачи в предлагаемом способе атомно-абсорбционного анализа, предусматривающем перевод определяемых элементов в летучие галогениды, локальный нагрев пробы до 1000-1100^oC в потоке реакционной газовой смеси и унос летучих хлоридов в центральную щель горелки, горючая газовая смесь поступает по двум боковым щелям. Перевод в галогениды осуществляют в процессе нагрева пробы в смеси галогенсодержащего и инертного газов, соотношение объемов которых составляет 1:1 1:5, а расход галогенирующей смеси равен 50-80 см³/с, причем расход горючей газовой смеси V₁ и расход реакционной газовой смеси V₂, поступающей в горелку, связаны зависимостью: V₁= K₁V₂, где K₁ эмпирический коэффициент, равный 1-5.

Осуществляется способ благодаря тому, что в устройстве для атомно-абсорбционного анализа, содержащем блок ввода, который выполнен в виде кварцевой трубки, снабженной спиральным нагревателем, и горелку, блок ввода непосредственно связан с центральной щелью горелки, а ее боковые щели выполнены сообщающимися между собой и связаны с источником горючей газовой смеси, при этом соблюдается следующее соотношение:
S = K₂V₁/v,
где
S суммарная площадь боковых щелей горелки;
K₂ эмпирический коэффициент, значение которого в зависимости от состава горючей газовой смеси равно 2-10;
V_гор. скорость горения горючей газовой смеси, величина постоянная для каждой смеси.

Заявляемое соотношение расходов галогенсодержащего и инертного газов в галогенирующей газовой смеси необходимо для оптимального проведения реакции галогенирования и последующего транспортирования пара в горелку, а заявляемый расход этой смеси способствует тому, что с одной стороны не происходит конденсации образовавшегося пара, а с другой повышается концентрация определяемых элементов в реакционной газовой смеси, что приводит к росту сигнала сорбции или эмиссии.

Процесс атомизации, происходящий в пламени, наиболее эффективно и в тоже время безопасно протекает при заявленном отношении расходов горючей и реакционной газовых смесей, поступающих в горелку.

Непосредственное соединение блока ввода с центральной щелью горелки позволяет исключить из системы смесительную камеру, что уменьшает потери, связанные с концентрацией паров на ее стенках. Это также способствует улучшению как чувствительности, так и воспроизводимости анализа.

Предложенная зависимость, связывающая размер боковых щелей горелки с расходом поступающей в них горючей газовой смеси и с ее свойствами, позволяет определить оптимальные размеры этих щелей.

Заявляемый способ атомно-абсорбционного анализа осуществляется с помощью предлагаемого устройства, схематически изображенного на чертеже.

Устройство содержит блок ввода 1 с нагревателем 2. Блок ввода выполнен в виде кварцевой или алундовой трубки, нагреватель представляет собой молибденовую или нихромовую спираль мощностью 50-80 Вт. Трубка напрямую соединена с центральной щелью горелки 3, боковые щели горелки не связаны с центральной щелью, но сообщаются между собой и с источником горючей газовой смеси (на чертеже не показан).

Анализ проводят следующим образом. Измельченную навеску анализируемого материала, равную примерно 10 мг, помещают в кварцевую или платиновую лодочку диаметром 8-10 мм и глубиной 1,5-2 мм. Толщина дна лодочки не превышает 0,5 мм, что обеспечивает быстрый нагрев до температуры 1000-1100^oC.

Лодочку с навеской помещают в блок ввода на нагревательную площадку, блок закрывают, продувают 5-10 с инертным газом, а затем начинают подачу галогенирующей газовой смеси. Смесь может содержать хлор и азот, хлористый водород и азот, бромистый водород и двуокись углерода и т.п. Объемное соотношение газов и смеси 1: 1 1:5, расход 50-80 см³/с. Через 3-5 с включают нагрев, заданная температура достигается через 5-8 с и начинается активное галогенирование, которое в зависимости от выбранных условий может протекать со скоростью 0,5-3 мг/с. При этом содержащиеся в пробе элементы образуют хлориды, бромиды или фториды. Пары этих соединений вместе с инертным газом образуют реакционной газовой смесью уносятся в центральную щель горелки. Одновременно в боковые щели горелки подают горючую газовую смесь пропан с воздухом или ацетилен с воздухом или ацетилен с закисью азота и поджигают ее. Расход горючей газовой смеси равен или превышает расход реакционной смеси, но не более, чем в 5 раз (K₁=1-5).

Каждому составу горючей газовой смеси соответствует свое значение эмпирического коэффициента K₂. Так для смеси пропан воздух K₂ равен 2 2,5, для смеси ацетилен-воздух K₂= 4-5; для смеси ацетилен-закись азота K₂=10. В зависимости от состава горючей смеси подбирают горелку, площадь боковых щелей которой отвечает зависимости:
S = K₂V₁/v_гор
S суммарная площадь боковых щелей горелки;
V₁ расход горючей газовой смеси, см³/с;
V_гор. скорость горения горючей смеси, см/с;
В пламени горелки образуется свободный атомный пар, т.е. происходит процесс атомизации и наряду с ним процесс атомной абсорбции. Сигнал сорбции или эмиссии регистрируется.

Пример. Алюминий марки О.С.Ч. анализируют на содержание цинка. Кусочки алюминия титановым молоточком разбивают на диски толщиной 0,15-0,2 мм и массой 20 мг. Диски протравливают царской водкой, тщательно промывают горячей дистиллированной водой, сушат и снова взвешивают. Затем помещают в лодочку и нагревают в блоке ввода в потоке хлористого водорода в смеси с инертным газом. В горелку подают 10 см³/с смеси пропан-воздух, для которой коэффициент K₂= 2,5 а скорость горения 45 см³/с. Расчетная суммарная площадь боковых щелей горелки составляет согласно приведенной выше формуле 0,55 см².

Скорость хлорирования алюминия с известным содержанием цинка, равным 2 нг/мг, составляет 0,5 нг/с, зарегистрирован сигнал оптической плотности, равный 1,5. Сигнал сорбции, получаемый в стандартных условиях с использованием распылителя 5 нг/с, создает оптическую плотность 0,12. При приведении к одной единице рост чувствительности более 100 раз.

Проведение анализов заявленным способом показало, что возможное число определяемых элементов более 30. Именно такое количество химических элементов образуют хлориды, кипящие при температуре 1000-1100^oC или обладающие высокой летучестью при указанной температуре. В 3-4 раза сокращается время проведения анализа в целом. За счет более равномерного распределения паров анализируемого вещества в пламени горелки обеспечивается высокая воспроизводимость. Поступление анализируемых паров только при центральной щели в относительно небольшом объеме (в сравнении с общим объемом горючей газовой смесию в случае, если бы все три щели имели связь с испарительной системой) обеспечивает рост чувствительности в 3-5 раз. Предлагаемая конструкция устройства удобна также и при термическом окислении в потоке воздуха крови (анализ) или растительных материалов, например анализ дыма табака на наличие в дыме тяжелых металлов.

Использование: аналитическая химия. Сущность изобретения: пробу анализируемого материала нагревают до 1000-1100^oC в смеси галогенсодержащего и инертного газов. Соотношение их объемов составляет 1:1 - 1:5, расход смеси 50-80 см³/с. При этом определяемые элементы переходят в галогениды и эта реакционная газовая смесь уносится в горелку. Туда же подают горючую газовую смесь, объем которой равен или больше объема реакционной смеси, но не более, чем в пять раз. Для проведения анализа используют устройство, содержащее блок ввода с нагревателем и горелку. Блок ввода выполнен в виде кварцевой трубки, непосредственно связанной с центральной щелью горелки. Боковые щели горелки не связаны с центральной, но сообщаются между собой и с источником горючей смеси. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ атомизации пробы в атомно-абсорбционном анализе, включающий нагрев анализируемой пробы и подачу горючей газовой смеси в горелку, отличающийся тем, что пробу продувают инертным газом в течение 5 10 с, в процессе нагрева пробы осуществляют перевод определяемых элементов в галогениды в смеси галогенсодержащего и инертного газов, соотношение объемов которых составляет 1: 1 1: 5 при расходе этой галогенирующей смеси, равном 50 80 см³/с, образующуюся при этом реакционную газовую смесь подают в горелку, при этом расход горючей газовой смеси V₁ и расход реакционной газовой смеси V₂ в процессе горения связаны соотношением V₁ K₁V₂, где K₁ эмпирический коэффициент, равный 1 5. 2. Устройство для атомизации пробы в атомно-абсорбционном анализе, включающее щелевую горелку, соединенную с источником горючей смеси, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит блок ввода газовой смеси в горелку, выполненный в виде кварцевой трубки, снабженной нагревателем и непосредственно связанной с центральной щелью горелки, которая снабжена боковыми щелями, выполненными сообщающимися между собой, причем боковые щели горелки связаны с источником горючей газовой смеси, а суммарная площадь S боковых щелей горелки определена из соотношения
S K₂V₁/V_г о р,
где V₁ расход горючей газовой смеси, см³/с;
V_г о р скорость горения горючей газовой смеси, см/с;
K₂ эмпирический коэффициент, равный 2 10.