CC BY
15
УДК 613/614-074:543.42(047)
АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ В ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Канд. мед. наук Ю. В. Новиков, И. Н. Титова
Московский научно-исследовательский институт гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана
Среди новейших методов, которые должны быть поставлены на вооружение^ гигиенической науки, бесспорно нужно назвать атомно-абсорбцион-ный анализ. Этим методом можно производить количественное определение большей части элементов периодической системы в различных объектах внешней среды, не прибегая при анализе микро- и макроэлементов к предварительному разделению определяемых элементов или отделению мешающих примесей, что влечет за собой увеличение погрешности определения и увеличение его трудоемкости. Атомно-абсорбционный спектральный анализ характеризуется высокой избирательностью. Он отличается от длительного и кропотливого химического метода быстротой определения, более простым приготовлением образцов, точностью и чувствительностью.
Принцип атомно-абсорбционного спектрального анализа основан на способности атомов металлов поглощать свет характеристических длин волн (Walsh). Характеристические длины волн составляют линейчатый эмиссионный спектр, определенный для каждого элемента. Свет от источника резонансного излучения поглощается свободными атомами, проходя через атомный пар, образованный путем испарения и диссоциации соединения определяемых элементов, вводимых в пламя в виде аэрозоля.
Наибольшее распространение получил пламенный способ испарения и атомизации соединений определяемых элементов (С. Б. Мешкова и соавт.; Н. С. Полуэтов), хотя в принципе с успехом могут быть использованы и другие способы, например, испарение пробы из графитовой кюветы, нагретой до высокой температуры (Б. В. Львов), испарение и создание свободных атомов при помощи квантового или плазменного генератора, а также распыление и атомизация исследуемой пробы в полом катоде (Н. П. Иванов). Все способы получения поглощающих слоев можно отнести к двум группам: равновесным и импульсным.
По чувствительности импульсные методы (графитовая кювета, импульсная лампа, лазерный луч) должны превосходить равновесные (пламя, разряд в полом катоде, печь Кинга), ибо для достижения и поддержания равновесной концентрации элемента в поглощающей ячейке требуется значительно большее количество вещества по сравнению с количеством, сосредоточенным в поглощающей ячейке в каждый момент. При импульсном испарении пробы для создания концентрации паров в ячейке, равной равновесной, потребовалось бы в 3-104 раз меньшее количество вещества, чем в пламени. Но техника регистрации спектров поглощения при импульсном испарении сложнее, чем для равновесных методов, так как в первом случае необходимо регистрировать быстро изменяющийся сигнал, а во втором — постоянный.
Поглощение света атомным паром подчиняется закону Бугера — Ламберта — Беера:
-к I
/, = V
где /о — первоначальная интенсивность света, /v—интенсивность света, прошедшего через поглощающий слой атомного пара, /СУ— коэффициент поглощения света на частоте v, рассчитанный на единицу толщины поглощающего слоя атомного пара, I — длина пламени (толщина поглощающего слоя атомного пара). При практических измерениях применяется величина оптической плотности:
Ввиду того что атомное поглощение соответствует переходам атомов из более низких в более высокие энергетические состояния, величина поглощения зависит от заселенности нижнего уровня, соответствующего наблюдаемой линии. Заселенность возбужденных уровней незначительна по сравнению с нижним уровнем, поэтому наибольшее поглощение наблюдается для линий, соответствующих поглощательным переходам с нижнего невозбужденного уровня. Эти линии в атомно-абсорбционном анализе называют резонансными. Коэффициент поглощения пропорционален силе осциллятора / для данного перехода и концентрации поглощающих атомов на нижнем уровне N1.
Для многих элементов силы осцилляторов спектральных линий измерены, поэтому выбор^наиболее чувствительных линий не представляет труда. Когда
Рис. 1. Атомно-абсорбционный спектрофотометр английской фирмы ишсат. /— устройство для подключения 3 ламп с полым катодом; 2— лампа с полым катодом; 3 — ручки регулировки подачи газа и воздуха: 4— устройство для автоматической подачи образцов; 5— отсек для смесительной камеры и горелок; 6— регулировка ширины щели моно-хроматора; 7— регулировка длины волны; 8— гальванометр; 9— регулировка силы тока лампы с полым катодом; 10— остальные ручки регулировки усилителя и переключатели
рода работ.
величины сил осцилляторов в спектре элемента неизвестны, можно экспериментально выбрать наиболее чувствительные линии.
В результате экспериментальных исследований установлено, что наиболее чувствительные в поглощении линии часто не совпадают с наиболее интенсивными атомными линиями элементов в эмиссионном спектральном анализе, в том числе и в пламенной фотометрии. Объясняется это тем, что интенсивность излучения резонансных линий зависит не только от М* и но и от участка спектра. Изменение интенсивности при температурах пламени или дугового разряда практически определяется экспоненциальным множителем, определяющим участок спектра, поэтому интенсивность излучения быстро падает в короткую область спектра. Таким образом, эмиссионный спектр имеет иное распределение резонансных линий по интенсивности, чем спектр поглощения. Более интенсивными в испускании являются резонансные линии с большей длиной волны; более^чувствительные в поглощении? линии лежат в коротковолновой стороне от наиболее интенсивной
в испускании резонансной линии {или совпадают с ней). Для большинства элементов, кроме газов, галогенов и некоторых неметаллов, наиболее интенсивные резонансные линии расположены в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, легко доступных для измерений.
Прибор для атомно-абсорбционного спектрального анализа состоит из источника линейчатого резонансного излучения, длинного узкого пламени, призменного монохроматора, фотоумножителя и регистрирующего устройства. На рис. 1 показан атомно-абсорбционный спектрофотометр БР-ЭО английской фирмы игпсат. В спектрофотометре имеется устройство для подключения 3 ламп с полым катодом с последовательным их переключением, устройство для подачи образцов, отсек для смесительной камеры (с подачей в нее газа, воздуха и образца через пульверизатор) и горелок, монохроматор, приемник излучения (фотоумножитель ЕМЛ 9663В, чувствительный для спектра 220 —770 т\у), электронноусилительное устройство, регистрирующий прибор. На выходе прибора можно подключать самопи-
Рис. 2. Оптическая схема атомно-абсорбционного спектрофотометра БР-ЭО. /— лампа с полым катодом; 2— задвижка, перекрывающая свет от лампы для работы в режиме пламенной фотометрии; 3— задвижка, перекрывающая свет при контроле нуля прибора; 4— пламя; 5— входная щель монохроматора; 6— выходная щель монохроматора; 7— призма Литтрова; 8— фотоумножитель; 9— модулятор; Ьи — линзы; М— зеркала.
сец. Прибор укомплектован воздушным компрессором ЭР-ЭЗ, устройством для подачи закиси азота ЭР-94 и 3 лампами с полым катодом: Са, Си и РЬ.
Оптическая схема однолучевого атомно-абсорбционного спектрофотометра БР-ЭО представлена на рис. 2. Лампа с полым катодом в патроне помещена в специальное устройство для подключения к прибору (/). Свет из катода собирается линзой Ьг с большой апертурой и фокусируется в длинную часть пламени (4). Задвижка (2) перекрывает свет и: лампы для работы прибора в режиме пламенно-эмиссионной фотометрии. Задвижка (3) перекрывает пучок света для контроля нулевой точки прибора. Пучок света собирается первым зеркалом М и фокусируется системой зеркал на входную щель монохроматора (5). Монохроматор включает в себя стеклянную призму Литтрова (7) высотой 57 мм и шириной 60 мм. Диспергированное излучение после фокусировки на выходную щель монохроматора (6) поступает на фотоумножитель (8). Входная и выходная щели монохроматора высотой 10 мм регулируются одновременно, и ширина их изменяется от О до 2 мм. Регулировка обеспечивается специальным кулачком и сопровождается медленным изменением энергии. Призма Литтрова вращается с кулачком длины волны и контрольной шкалой. Все регулирующие ручки и контрольные шкалы вынесены на переднюю панель.
Образец в виде раствора вводят посредством распылителя в смесительную камеру через длинную гибкую полиэтиленовую трубку, помещенную в трубку из нержавеющей стали. Один конец трубки опускают в лабораторный стакан с образцом, другой подсоединен к распылителю. Через распылитель большой скоростью воздуха протягивается образец и превращается в мелкие капли. Норма поступления образца в камеру 3 мл/мин при скорости подачи воздуха 5 л/мин. Смесительная камера представляет собой цилиндр из прочного высокой плотности полиэтилена. Газ и воздух, смешиваясь, проходят через вентилятор, благодаря чему большие капли образца собираются на стенках камеры. Эти капли отводятся как излишки через отводную трубку. Смесь воздух — газ переносится в равномерно диспергированный распыленный образец и поступает к горелке через полиэтиленовую трубку.
Для увеличения чувствительности атомно-абсорбционного метода применяют длиннощелевые горелки. В БР-ЭО используются горелки с длиной щели 1У см. Прибор комплектуется 3 типами горелок: для смеси ацетилен— воздух, пропан — воздух и типа Мекер для эмиссионного анализа. Высота расположения горелки регулируется при помощи специального штатива с миллиметровыми делениями. Для повышения чувствительности в приборе предусмотрена возможность расширения шкалы регистрирующего прибора. Достигается это установлением на шкале регистрирующего прибора О вместо 100% и переключением делителя усилителя. Шкалу можно расширить в 5 раз последовательным переключением делителя с предварительной установкой нуля.
Большая часть образца при нагревании в пламени диссоциируется в стабильные атомы. Невозбужденные атомы обнаруживают посредством атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Небольшая часть атомов возбуждается. Распад возбужденных атомов сопровождается характеристическим излучением элементов, что и используется в пламенно-эмиссионной фотометрии. Ввиду этого метод атомной абсорбции более чувствителен, чем эмиссионный.
Атомно-абсорбционный спектральный метод имеет некоторые принципиальные преимущества перед эмиссионным. При атомно-абсорбционных измерениях возможность взаимного наложения различных элементов практически исключена. Если вероятность наложения линий в эмиссионном спектральном анализе равна 2,5%, то при атомно-абсорбционном в тех же условиях она равна 0,04%. Объясняется это меньшим числом линий и меньшей их шириной при атомно-абсорбционных измерениях. Лампы с полыми катодами и высокочастотные лампы, применяемые в качестве источников света при атомно-абсорбционном методе, позволяют получить довольно простой спектр определяемого элемента с выраженным излучением резонансных линий и чрезвычайно малым фоном. Поэтому выделение необходимой для измерений резонансной линии может быть осуществлено при помощи приборов малой разрешающей способности.
Основное преимущество методов поглощения по сравнению с эмиссионными — стабильность результатов измерений в зависимости от температурных условий. В эмиссионном анализе регистрируется излучение возбужденных атомов, и небольшие изменения температуры в излучающем облаке резко сказываются на концентрации возбужденных атомов, а следовательно, и на интенсивности аналитического сигнала. В абсорбционном анализе существенно число атомов, находящихся в невозбужденном состоянии, которое мало изменяется с температурой среды. ^
Чувствительность эмиссионных методов в значительной мере зависит от энергии уровней, соответствующих аналитическим линиям, в абсорбционной же спектроскопии величина поглощения определяется заселенностью нижнего, основного уровня, вследствие чего энергия перехода, соответствующего наиболее чувствительной резонансной линии, оказывается совершенно, несущественной.
В атомно-абсорбционном методе измеряется отношение непоглощенного сигнала к поглощенному, а не абсолютная его величина, поэтому требования « регистрирующей аппаратуре, касающиеся, например, юстировки выходных щелей спектрометров, качества приемников излучения и пр., значительно менее жестки, чем при эмиссионных измерениях.
То обстоятельство, что в атомно-абсорбционном анализе с увеличением толщины поглощающего слоя пропорционально увеличивается и чувстви-тельностьЪпределения, обеспечивает по сравнению с эмиссионным спектральным анализом дополнительные возможности увеличения чувствительности.
При оценке чувствительности метода пользуются понятием абсолютной и относительной чувствительности. Под абсолютной чувствительностью понимают минимальное количество элемента, которое необходимо для регистрации аналитического сигнала. Предельные ее величины относят к определению чистого элемента (в отсутствие соизмеримых или превышающих количеств посторонних элементов) и выражают в весовых (граммы, микрограммы) или молярных (число молей) единицах. Абсолютная чувствительность пламенных методов определяется произведением скорости подачи определяемого элемента в пламя на минимальное время измерения, которое зависит от продолжительности установления равновесного значения концентрации элемента в пламени и от инерционности регистрирующей схемы. Обычно минимальное время измерения сигнала в пламенной фотометрии приблизительно 10 сек.
Под относительной чувствительностью понимают минимальную концентрацию элемента в пробе, при которой обеспечивается необходимый для регистрации аналитический сигнал. Относительную чувствительность принято выражать в весовых процентах или в частях на миллион. Концентрация 1:1 ООО ООО соответствует 10~4%.
В качестве основной характеристики пламенных методов применяют относительную чувствительность по раствору, так как любые пробы перед анализом должны быть переведены в растворенное состояние. Обычно концентрация основного вещества не превышает 5%. Необходимо также принимать во внимание влияние на величину чувствительности посторонних элементов.
В современной измерительной технике при оценке предельной чувствительности метода в качестве предельно малой величины измеряемого сигнала выбирают сигнал, величина которого превышает среднюю квадратичную ошибку в 2—3 раза. При абсорбционных измерениях величину изменения сигнала выражают в единицах оптической плотности, пропорциональной количеству определяемого элемента.
В различных работах по атомной абсорбции в зависимости от применяемого оборудования и схемы измерения предельные значения 1)т1п различаются от 0,002 до 0,02. Для сравнения чувствительностей обнаружения различных элементов, достигнутых различными исследователями, удобно приводить все чувствительности к одной и той же предельной величине Отт- В качестве такой величины в значительной степени произвольно выбрана величина абсорбции, соответствующая поглощению 1 % сигнала или оптической плотности Э = 0,0043.
Чувствительность обнаружения элементов по отношению к исходной пробе (твердому образцу) зависит от чувствительности обнаружения элемента в чистом растворителе, от предельной концентрации основы пробы в растворителе и от степени влияния избытка посторонних элементов на чувствительность определения данного элемента. Если концентрации основного вещества пробы в растворе составляют 5% (эту величину принято считать предельно возможной), то чувствительность определения какого-либо элемента по отношению к этому веществу должна быть по крайней мере в 20 раз слабее, чем по отношению к растворителю. Наиболее высокая ■чувствительность достигнута по магнию: 2-10 _ 9 г/мл. Поэтому максимально .достижимая относительная чувствительность обнаружения методом атомно-
абсорбционной фотометрии пламени составляют около 10~8%, т. е. в среднем/ чувствительность обнаружения по исходной пробе должна составлять 10-8%. На практике предельные чувствительности оказываются еще меньше.
Метод атомно-абсорбционного спектрального анализа, несмотря на ряд преимуществ, еще не нашел широкого распространения в гигиенических исследованиях. В литературе имеются данные об определении при помощи этого метода микроэлементов в почвах (Т. Б. Андреева и М. А. Кабанова), паров ртути в воздухе (Н. И. Петрова и соавт.), рубидия (С. Б.Мешкова и соавт. , кадмия и цинка (Н. И. Тарасевич и соавт.), ртути в моче (В. А. Разумов и соавт.), свинца (А. С. Бажов) и никеля в биологических материалах (David), кадмия в биологических объектах (Gatehause и Willis), кальция в почве, марганца в морской воде (Allan, 1961, 1962) и др.
Высокая производительность и точность определения позволяют рекомендовать атомно-абсорбционный спектральный анализ для определения микро- и макроэлементов в различных объектах внешней среды, в частности, в пробах пыли, полученных из атмосферы и воздуха производственных помещений, в пробах воды, продуктов питания, в различных биологических материалах экспериментальных животных, в экскрементах человека .
ЛИТЕРАТУРА
Андреева Т. Б., Кабанова М. А. Химия в с.-х., 1968, № 11, с. 69. — Бажов А. С. Ж- аналит. химии, 1968, в. 11, с. 1640. — Иванов Н. П. Применение разрядной трубки с горячим полым катодом в спектральном анализе. М., 1962. — Львов Б. В. Ж. приклад, спектроскопии, 1968, т. 8, в. 3, с. 517. — Мешкова С. Б., Зелюкова Ю. В., Полуэктов Н. С. Ж. аналит. химии, 1966, в. 4, с. 405. — Петрова Н. И., Шлейхер Н. Б., Разянов А. 3. Гиг. и сан., 1968, № ц, с. 44. — П о л у э к т о в Н. С. Завод, лабор., 1964, № 1, с. 33. — Р а з у м о в В. А., Сагдеев Р. С., Айдаров Т. К. В кн.: Методы анализа химических реактивов и препаратов. М., 1966, № 12, с. 87. — Тарасевич Н. И., Козырева Г. В., К У м и н а Д. М. Ж. аналит. химии, 1968, в. 7, с. 1048. — Allan I.E., Spectrochim-. Acta, 1961, v. 17, p. 467.— Idem, Ibid., 1962, v. 18, p. 259. — D a v i d D. I., Ibid., 1964, v. 20, p. 7. — J a t e h a u s e B. M., W i 1 1 i s I. В. Jbid., 1961, v. 17, p. 710. — Walsh A., Ibid., 1955, v. 7, p. 108.
Поступила 12/XII 1969 r.
ОБЗОРЫ
УДК 814.777+828.391:815.277.4
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ КАНЦЕРОГЕННЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Проф. JI. М. Шабад, А. П. Ильницкий Институт экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР, Москва
В самом начале 50-х годов ¿появились работы, посвященные изучению возможности накопления канцерогенных углеводородов, в частности 3,4-бензпирена, в некоторых объектах водной среды, а также их индикации в бытовых сточных водах (Shimkin и соавт.; Wedgwood и Cooper, и др.). В тс же время появляются работы о канцерогенных свойствах адсорбатов из воды источников, загрязненных промышленными стоками. В Советском
