Атомно-абсорбционная спектрометрия

ОФС.1.2.1.1.0005.18   Взамен ГФ XII ОФС 42-0044-07

 

Атомная абсорбционная спектрометрия применяется для определения содержания химических элементов в испытуемом образце путем измерения величины поглощения (абсорбции) излучения при определенной длине волны, соответствующей определяемому элементу, атомным паром элемента, генерированным из вещества, например, при введении раствора вещества в пламя.

Относительная погрешность метода атомно-абсорбционной спектрометрии, в зависимости от концентрации вещества, обычно составляет до 4%, чувствительность определяется свойствами аналитической линии, составом пробы, классом аппаратуры и может достигать 0,001 мкг/мл.

Атомная абсорбция - это процесс, при котором атом в невозбужденном состоянии поглощает электромагнитное излучение с определенной энергией (длиной волны) и переходит в возбужденное состояние.

Определение проводится при длине волны одной из резонансных линий элемента. Количество поглощенного излучения, согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, пропорционально концентрации элемента:

 

, где

 

 - интенсивность падающего излучения;

I - интенсивность излучения, прошедшего через вещество;

а - показатель поглощения света, рассчитанный на единицу концентрации поглощающего компонента и на единицу толщины слоя; с - концентрация поглощающего компонента;

l - толщина поглощающего слоя.

 

Принцип метода.

Резонансное излучение от лампы проходит через слой атомного пара, получаемого с помощью атомизатора. Излучение попадает на входную щель монохроматора, установленного таким образом, что из спектра выделяется только резонансная линия определяемого элемента, интенсивность которой измеряется фотоэлектрическим способом. Измеряют уменьшение интенсивности резонансной линии вследствие поглощения ее атомами определяемого элемента, принимая интенсивность неослабленной линии за 100%. Величина поглощения резонансного излучения пропорциональна числу атомов, находящихся в поглощающем слое.

Прибор.

Главными составными частями прибора являются:

- источник излучения;

- устройство ввода пробы;

- атомизатор образца;

- монохроматор или полихроматор;

- детектор;

- устройство для регистрации информации.

Для каждого определяемого элемента должен быть выбран специфический источник, излучающий спектральную линию, которая должна быть абсорбирована. Таким источником излучения являются полая катодная лампа, безэлектродная разрядная лампа (главным образом для определения As, Se, Te, P, Hg, Rb, Cs). Поскольку излучение, абсорбируемое измеряемым элементом, обычно той же длины волны, что и его линия эмиссии, в полой катодной лампе используется тот элемент, который определяется. Требуемая спектральная линия может быть выделена с помощью монохроматора высокого разрешения из сплошного спектра, излучаемого дуговой ксеноновой лампой.

Для коррекции фонового излучения может быть использована дейтериевая лампа с постоянной эмиссией, у которой измерено фоновое поглощение. Использование коррекции фона с помощью эффекта Зеемана устраняет мешающие линии и мешающие факторы при молекулярном поглощении при электротермической технике атомизации. Фон может быть также измерен путем регистрации значений абсорбции на участке спектра около резонансной линии и затем вычитанием этого значения из результатов, полученных в линии резонанса.

Существует следующие способы атомизации образца: пламенная, электротермическая, метод холодного пара и гидридный метод.

Пламенная атомизация.

Испытуемый образец вводится в пламя через распылительную систему в виде аэрозоля. Для создания пламени с нужной температурой используют газовые смеси, состоящие из горючих газов (пропан, водород, ацетилен) и окислителей (воздух, закись азота).

Так как для реализации метода нужны невозбужденные атомы, а атомы в возбужденном состоянии способны испускать излучение на характерных резонансных линиях, следует избегать чрезмерного образования возбужденных атомов, что может привести к существенным искажениям закона Бугера-Ламберта-Бера. Число возбужденных атомов увеличивается с ростом температуры, которая зависит в основном от теплотворной способности создающего пламя газа (табл. 1).

 

Таблица 1 Температура наиболее часто используемых газовых смесей

 

Состав газовой смеси	Температура, °С
Светильный газ + воздух	1840
Ацетилен + воздух	2250
Ацетилен + кислород	3050
Водород + кислород	2680
Ацетилен + закись азота	2955

 

Электротермическая атомизация.

Электротермический атомизатор состоит из нагреваемой графитовой трубки (печи) и источника электроэнергии. Образцы как жидкие, так и твердые вводятся непосредственно в графитовую трубку, которая нагревается поэтапно, с помощью программного управления: на первом этапе удаляется растворитель, на втором - удаляются основные компоненты матрицы и затем атомизируется остаток пробы. Две первые стадии обычно проводят в токе инертного газа (аргона), чтобы избежать какого-либо окисления. Поток аргона останавливают во время атомизации. Анализируемый элемент в образце полностью атомизируется, и его атомы остаются в трубке, расположенной по ходу светового луча, в течение длительного периода времени. В результате, чувствительность и пределы обнаружения элементов существенно улучшаются. Печь очищается путем нагревания до температуры выше, чем температура атомизации.

Метод холодного пара и гидридный метод.

Атомный пар может быть получен также вне спектрометра, например, методом "холодного пара" для определения ртути или гидридным методом. При определении ртути атомы генерируются при химическом восстановлении с хлоридом олова или борогидридом натрия, атомный пар вносится потоком инертного газа в абсорбционную ячейку, расположенную на оптическом пути прибора. В гидридном методе получают гидрид определяемого элемента, который либо смешивается с газом, питающим горелку, либо вносится инертным газом в нагретую абсорбционную ячейку, где он диссоциирует на атомы.

В атомно-абсорбционной спектрометрии должна учитываться природа растворителя и концентрация твердых частиц. Идеальным считается растворитель с минимальными помехами в процессах поглощения или эмиссии, при использовании которого в пламени образуются нейтральные атомы. Если имеются значительные различия между поверхностным натяжением или вязкостью испытуемого раствора и стандартного раствора, то эти растворы всасываются и атомизируются с различной скоростью, что обуславливает существенное различие в генерированных сигналах. Концентрация кислоты в растворах также влияет на процессы абсорбции. Таким образом, растворители, используемые для приготовления испытуемого и стандартного растворов в методе ААС, должны быть одними и теми же или максимально похожими и должны образовывать растворы, которые легко всасываются через трубку форсунки аспиратора.

Присутствие в растворе частиц нерастворенного твердого вещества может вызвать помехи при проведении анализа, поэтому общее содержание нерастворимых твердых частиц в растворах должно быть менее 2%.

В состав стандартных и испытуемых растворов могут вводиться различные модификаторы. Так для предотвращения ионизационных помех используют избыток цезия и лантана. В электротермической атомизации применяют химические модификаторы, обычно представляющие собой растворы неорганических солей (например, нитраты магния или аммония) для предотвращения реакций определяемого элемента с поверхностью графита.

Методика.

Для подготовки образца может потребоваться растворение или минерализация (сухое озоление, влажная минерализация или микроволновое разложение).

При приготовлении растворов рекомендуется использование пластиковой лабораторной посуды во всех возможных случаях.

Прибор выводят на рабочий режим в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора и устанавливают требуемую длину волны. В генератор атомного пара вводят холостой раствор и настраивают регистрирующее устройство на максимальное светопропускание. Вводят стандартный раствор определяемого элемента с наибольшей концентрацией и подбирают чувствительность для получения подходящего значения регистрируемого сигнала.

Определение проводят путем сравнения величины поглощения испытуемого раствора и стандартного раствора с известными концентрациями определяемого элемента методом калибровочной кривой (метод 1) или методом стандартных добавок (метод 2) как указано ниже.

 

Метод 1 - метод калибровочной кривой

 

Готовят не менее трех стандартных растворов определяемого элемента и холостой раствор, измеряют их поглощение. Стандартные растворы готовят таким образом, чтобы ожидаемое значение концентраций испытуемого раствора находилось внутри диапазона концентраций стандартных растворов.

Раствор испытуемого вещества готовят, как указано в фармакопейной статье.

Для количественных определений оптимальные концентрации стандартных растворов должны быть в пределах от 0,7 до 1,3 ожидаемой концентрации определяемого элемента или в диапазоне, указанном в фармакопейной статье. Для испытания на чистоту, концентрации стандартных растворов находятся в диапазоне от предела обнаружения и 1,2 предела содержания определяемого элемента. Любые реактивы, используемые при приготовлении испытуемого раствора, прибавляют в холостой раствор и стандартные растворы в таких же количествах, как и в испытуемый раствор.

Все растворы вводят в прибор в одинаковом количестве повторностей для получения устойчивых показаний.

Расчеты. Строят калибровочную кривую зависимости средних значений абсорбции стандартных растворов от концентрации определяемого элемента. По графику определяют концентрацию элемента в испытуемом растворе. Для обработки данных обычно применяются линейные функции. В отдельных случаях, при невозможности получения линейной зависимости, могут быть использованы квадратичные функции. Использование квадратичной функции должно быть обосновано. Если в фармакопейной статье не указано иного, коэффициент корреляции калибровочной кривой должен быть не менее 0,99.

 

Метод 2 - метод стандартных добавок

 

Испытуемый раствор готовят, как указано в фармакопейной статье. Равные объемы испытуемого раствора помещают не менее чем в три мерные колбы одинаковой вместимости. Для получения ряда разведений в две колбы добавляют пропорционально увеличивающиеся объемы эталонного раствора определяемого элемента. Доводят содержимое каждой колбы растворителем до метки. При этом значение эмиссии или абсорбции растворов со стандартными добавками должно находиться в линейной области калибровочной кривой.

Все растворы вводят в генератор одинаковое количество раз, чтобы получить установившееся показание.

Расчеты. Методом наименьших квадратов рассчитывают линейное уравнение калибровочной кривой и из него получают концентрацию определяемого элемента в испытуемом растворе.

 

Расчет концентрации может быть произведен графическим методом. Для этого строят график зависимости среднего значения результата измерения от добавленного количества определяемого элемента. Экстраполируют линию, соединяющую эти точки на графике, до пересечения с осью абсцисс. Расстояние от начала координат до полученной точки пересечения дает концентрацию определяемого элемента в испытуемом растворе.

При использовании ААС для определения концентрации элемента в анализируемых образцах наряду с приведенными выше методами (калибровочной кривой и стандартных добавок) могут быть использованы метод сравнения и метод ограничивающих растворов. При этом должно быть подтверждено, что концентрация раствора сравнения находится в линейной области и не превышает предельно допустимое содержание элемента в испытуемом растворе (для испытания на чистоту).

Реактивы и эталонные растворы.

Вода должна быть деионизированной на ионообменных смолах, продистиллированной непосредственно перед употреблением и должна соответствовать требованиям, предъявляемым к воде очищенной.

Ниже приведены растворы солей, катионы которых обозначены названиями элементов, наиболее часто нормируемых в фармацевтическом анализе.

Кальций. 1,001 г кальция карбоната, высушенного до постоянной массы при температуре 105°С, растворяют в 25 мл 1 М раствора хлористоводородной кислоты и доводят объем раствора водой до 1000,0 мл. Раствор содержит 400 мкг ионов Са в 1 мл.

Срок годности раствора - 1 мес, хранение при комнатной температуре.

Калий. 1,1440 г калия хлорида, высушенного до постоянной массы при температуре 130°С, растворяют в небольшом количестве воды и доводят объем раствора водой до 1000,0 мл. Раствор содержит 600 мкг ионов К в 1 мл.

Срок годности раствора - 2 мес, хранение при комнатной температуре.

Натрий. 0,5084 г натрия хлорида, высушенного до постоянной массы при температуре 130°С, растворяют в небольшом количестве воды и доводят объем раствора водой до 1000,0 мл. Раствор содержит 200 мкг ионов Na в 1 мл.

Срок годности раствора 2 мес, хранение при комнатной температуре.

Цинк. 2,5 г гранулированного цинка растворяют в 20 мл 5 М раствора хлористоводородной кислоты и доводят объем раствора водой до 500,0 мл. Раствор содержит 5 мг ионов Zn в 1 мл.

Срок годности раствора - 2 мес, хранение при комнатной температуре.

Свинец. 0,1600 г свинца нитрата растворяют в 5 мл 32% раствора азотной кислоты и доводят объем раствора водой до 1000,0 мл. Раствор содержит 100 мкг ионов РЬ в 1 мл.

Срок годности раствора 1 мес, хранение при комнатной температуре.

Медь. 1,000 г меди электролитической растворяют в небольшом объеме 50% раствора азотной кислоты и доводят объем раствора 1% азотной кислотой до 1000,0 мл. Раствор содержит 1 мг ионов Си в 1 мл.

Срок годности раствора - 1 мес, хранение при комнатной температуре.

Допускается использование других реактивов и эталонных растворов для спектрального анализа, аттестованных компетентным уполномоченным органом.

Расчет количества соединения химического элемента (X) в граммах при составлении эталонного раствора проводят по следующей формуле:

 

, где

 

а - масса вводимого в раствор элемента на 1 г готового эталонного раствора, г;

b - масса готового эталонного раствора, г;

М - молекулярная масса соединения, в которое входит вводимый в эталонный раствор элемент;

n - число атомов вводимого элемента в используемом для приготовления эталонного раствора соединении;

А - атомная масса вводимого в эталонный раствор элемента.

 

Эталонные, а также приготовленные на их основе стандартные растворы хранят в посуде, позволяющей сохранять концентрацию этих растворов неизменной (например, в посуде из кварца, тефлона, чистого полиэтилена и т.п.).