RU2806706C1 - Method for electrothermal atomic absorption analysis of composition of powder samples and device for its implementation - Google Patents
Method for electrothermal atomic absorption analysis of composition of powder samples and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806706C1 RU2806706C1 RU2023113731A RU2023113731A RU2806706C1 RU 2806706 C1 RU2806706 C1 RU 2806706C1 RU 2023113731 A RU2023113731 A RU 2023113731A RU 2023113731 A RU2023113731 A RU 2023113731A RU 2806706 C1 RU2806706 C1 RU 2806706C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- evaporation
- container
- channels
- atomization
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение относится к атомной спектроскопии и предназначено для применения в аналитической спектрометрии, в частности, в электротермическом прямом атомно-абсорбционном анализе порошковых органоминеральных образцов.The invention relates to atomic spectroscopy and is intended for use in analytical spectrometry, in particular, in electrothermal direct atomic absorption analysis of powdered organomineral samples.
Уровень техникиState of the art
Прямое определение ультрамалых количеств элементов в многокомпонентных составах порошковых образцов с помощью электротермического атомно-абсорбционного анализа затруднено неселективными помехами и матричными влияниями в аналитической зоне атомизатора. Для уменьшения влияния мешающих компонентов на результат анализа применяют различные способы. В настоящее время эффективно работают двухстадийные электротермические атомизаторы, в которых на первой стадии проводят предварительное термическое разложение и фракционное испарение исследуемого порошкового образца и одновременное осаждение и конденсацию паров компонентов на дополнительных введенных в конструкцию накопителях. На второй стадии в процессе нагрева накопителей и атомизации осажденных на них конденсатов проводится детекция паров в аналитической зоне. Двухстадийные электротермические атомизаторы имеют разные конструкции, в том числе связанные с конденсацией паров на выносных элементах [1,3], при этом увеличивают число конденсаций на выносном зонде [3], с конденсацией паров на внутренней поверхности атомизаторов [2, 4, 5], а также с использованием дополнительных графитовых пористых диафрагм [4, 5].Direct determination of ultra-small amounts of elements in multicomponent compositions of powder samples using electrothermal atomic absorption analysis is complicated by non-selective interference and matrix influences in the analytical zone of the atomizer. To reduce the influence of interfering components on the analysis result, various methods are used. Currently, two-stage electrothermal atomizers operate effectively, in which, at the first stage, preliminary thermal decomposition and fractional evaporation of the powder sample under study are carried out and simultaneous deposition and condensation of component vapors on additional storage devices introduced into the design. At the second stage, in the process of heating the storage devices and atomizing the condensates deposited on them, vapor detection is carried out in the analytical zone. Two-stage electrothermal atomizers have different designs, including those associated with vapor condensation on remote elements [1,3], while increasing the number of condensations on the remote probe [3], with vapor condensation on the inner surface of the atomizers [2, 4, 5], and also using additional graphite porous diaphragms [4, 5].
Однако при атомно-абсорбционном анализе порошковых образцов сложного состава, содержащих литогенные, биогенные и хемогенно-гидрогенные компоненты (например, горные породы, почвы, донные отложения, концентраты и взвеси природных вод), что важно для решения актуальных экологических и геохимических задач, известные двухстадийные электротермические атомизаторы не всегда позволяют получать надежные данные из-за того, что на пределы обнаружения и воспроизводимость результатов сильно влияет действие большого количества органических и летучих минеральных включений. Снижение помех за счет уменьшения массы исследуемого вещества при испарении приводило к низкому уровню сигнала и требовалась дополнительная загрузка новых навесок в зону испарения и повторения дополнительной конденсации для увеличения уровня сигнала. Общий недостаток рассмотренных технических решений состоит в том, что в известных конструкциях атомизаторов не обеспечена достаточная защита зоны конденсации и аналитической зоны от выбросов крупных и мелких летучих аэрозольных частиц из порошковых органоминеральных образцов, размещенных в зоне испарения. Таким образом, на стадии фракционного испарения, вследствие выбросов частиц, не достигается необходимого преобразования компонентов образца и упрощения состава конденсата, что снижает эффективность получения результатов анализа.However, in the atomic absorption analysis of powder samples of complex composition containing lithogenic, biogenic and chemogenic-hydrogen components (for example, rocks, soils, bottom sediments, concentrates and suspensions of natural waters), which is important for solving current environmental and geochemical problems, the well-known two-stage Electrothermal atomizers do not always provide reliable data due to the fact that the detection limits and reproducibility of results are greatly influenced by the action of a large number of organic and volatile mineral inclusions. Reducing interference by reducing the mass of the test substance during evaporation led to a low signal level and required additional loading of new samples into the evaporation zone and repeating additional condensation to increase the signal level. The general disadvantage of the considered technical solutions is that the known designs of atomizers do not provide sufficient protection of the condensation zone and analytical zone from emissions of large and small volatile aerosol particles from powdered organomineral samples placed in the evaporation zone. Thus, at the stage of fractional evaporation, due to particle emissions, the necessary transformation of the sample components and simplification of the condensate composition are not achieved, which reduces the efficiency of obtaining analysis results.
Для снижения влияния выбросов в известном устройстве [4], выбранном в качестве прототипа, предлагалось на первой стадии осуществлять последовательный многократный нагрев и испарение небольших навесок образцов в тигле с целью последовательного накопления атомов исследуемого вещества на внутренней поверхности второго узла, выполняющего функции концентратора. Однако такой подход не всегда эффективен, особенно если выброс происходит на начальной стадии гермообработки-озоления органоминерального образца. В прототипе для реализации последовательного многократного нагрева и испарения небольших навесок образцов в тигле осуществляли частичный демонтаж конструкции блока, состоящего из трех узлов, после первого нагрева и испарения первой навески образца. Далее проводили новую сборку блока, при этом в блок устанавливают другой тигель с новой дополнительной порцией исследуемого образца. Завершающую стадию эксперимента, связанную с нагревом зоны конденсации и зоны аналитического измерения, проводят на заключительном этапе после окончания процесса накопления и конденсации паров исследуемого образца на внутренней поверхности узла. Процесс сборки - разборки блока занимает много времени, связан с возможностью внесения загрязнений, что ухудшает надежность результатов анализа, а также подобная процедура требует расхода электроэнергии за счет многократного нагрева узла испарения. Конструкция прототипа для уменьшения выбросов частиц имеет модификацию, дополненную пористой графитовой диафрагмой малой толщины, которая закрывает зону испарения [4], при этом образец находится в замкнутой зоне испарения и отсутствует свободный выход паров. Такое положение диафрагмы не является удачным при анализе органоминеральных порошков сложного состава. Вследствие бурных взрывных процессов термического разложения компонентов образца, выделения газообразных продуктов совместно с крупными и мелкими аэрозольными частицами, деформации пористой среды диафрагмы, изменяются условия атомизации и эффективность фильтрации паров образца, что ухудшает и нередко исключает саму возможность получения результатов. Другим недостатком конструкции прототипа является отсутствие какого-либо способа термоизоляции контактирующих стенок тигля и цилиндра зоны конденсации, что сильно ограничивает возможность оптимизации температурного режима стадии разложения, озоления и фракционного испарения порошковых образцов.To reduce the influence of emissions in the known device [4], chosen as a prototype, it was proposed at the first stage to carry out sequential repeated heating and evaporation of small samples in a crucible with the aim of sequential accumulation of atoms of the test substance on the inner surface of the second unit, which acts as a concentrator. However, this approach is not always effective, especially if the release occurs at the initial stage of heat treatment-ashing of an organomineral sample. In the prototype, to implement sequential repeated heating and evaporation of small sample samples in a crucible, partial dismantling of the block structure, consisting of three units, was carried out after the first heating and evaporation of the first sample sample. Next, a new assembly of the block was carried out, while another crucible with a new additional portion of the test sample was installed in the block. The final stage of the experiment, associated with heating the condensation zone and the analytical measurement zone, is carried out at the final stage after the completion of the process of accumulation and condensation of vapors of the test sample on the inner surface of the unit. The process of assembling and disassembling the unit takes a lot of time, is associated with the possibility of introducing contaminants, which impairs the reliability of the analysis results, and such a procedure requires energy consumption due to repeated heating of the evaporation unit. The design of the prototype to reduce particle emissions has a modification, complemented by a porous graphite diaphragm of small thickness, which closes the evaporation zone [4], while the sample is in a closed evaporation zone and there is no free escape of vapors. This position of the diaphragm is not successful when analyzing organomineral powders of complex composition. Due to the violent explosive processes of thermal decomposition of the sample components, the release of gaseous products together with large and small aerosol particles, and the deformation of the porous medium of the diaphragm, the atomization conditions and the efficiency of filtration of sample vapors change, which worsens and often eliminates the very possibility of obtaining results. Another disadvantage of the prototype design is the absence of any method of thermal insulation of the contacting walls of the crucible and the cylinder of the condensation zone, which greatly limits the possibility of optimizing the temperature regime of the stage of decomposition, ashing and fractional evaporation of powder samples.
Задача, которая решается в изобретении, состоит в повышении надежности определения элементного состава анализируемого порошкового органоминералыюго вещества за счет снижения уровня помех и улучшения нижнего предела обнаружения компонентов образца.The problem that is solved in the invention is to increase the reliability of determining the elemental composition of the analyzed powdered organomineral substance by reducing the level of interference and improving the lower limit of detection of sample components.
Другие задачи связаны с расширением арсенала технических средств, используемых для определения элементного состава органоминерального вещества, и с повышением экономичности проведения анализа.Other tasks are related to expanding the arsenal of technical means used to determine the elemental composition of organomineral substances and increasing the cost-effectiveness of analysis.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в устройстве во внутренний объем узла испарения исследуемого образца дополнительно введен многоканальный контейнер, в котором количество каналов, форму каналов, а также размещение каналов друг относительно друга и материал, из которого выполнен контейнер, определяют с учетом возможности создания близких условий термического разложения, озоления и фракционного испарения малых количеств образца в малых объемах каналов, а также с учетом присутствия органических включений и необходимого снижения выбросов частиц.The objectives are solved due to the fact that in the device, a multi-channel container is additionally introduced into the internal volume of the evaporation unit of the test sample, in which the number of channels, the shape of the channels, as well as the placement of the channels relative to each other and the material from which the container is made are determined taking into account the possibility of creating close conditions of thermal decomposition, ashing and fractional evaporation of small quantities of sample in small channel volumes, as well as taking into account the presence of organic inclusions and the necessary reduction in particle emissions.
Решение поставленной задачи достигается также тем, что в способе атомно-абсорбционного анализа порошковых органоминеральных образцов при двухстадийной электротермической атомизации, за счет применения многоканального контейнера, обеспечивается возможность распределения дозы образца от 1 до 25 мг в 5-30 каналах с малым объемом и проведение анализа без многократной загрузки новых порций образцов в зону испарения.The solution to the problem is also achieved by the fact that in the method of atomic absorption analysis of powdered organomineral samples with two-stage electrothermal atomization, due to the use of a multichannel container, it is possible to distribute a sample dose from 1 to 25 mg in 5-30 channels with a small volume and carry out analysis without multiple loading of new portions of samples into the evaporation zone.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Одним из аспектов реализации изобретения является способ атомно-абсорбционного определения элементов с электротермической атомизацией, включающий выбор условий проведения анализа, подготовку образца, сборку блока электротермического атомизатора из узлов, предназначенных для формирования зон испарения, конденсации, атомизации, проведение первой и второй стадии анализа и получение результатов по характеристикам которых определяют элементный состав образца. На этапе подготовки образца и загрузки, его общую массу от 1 до 25 мг размещают и разделяют в рабочих зонах каналов контейнера, который содержит от 5 до 30 независимых каналов с равными внутренними объемами, что обеспечивает возможность создания близких условий термического разложения, озоления и фракционного испарения от 5 до 30 частей образца в процессе анализа. Пористая структура материала контейнера и большая поверхность рабочей зоны отдельного канала по отношению к площади его входа в рабочую зону, обеспечивают возможность снижения выбросов фракций образца. При этом на первой стадии температуру узла испарения, в котором находится многоканальный контейнер с образцом, постепенно увеличивают до значений от 1700 до 2200°С за время нагрева от 20 до 60 с. На второй стадии получения результатов осуществляют импульсный нагрев зоны конденсации и зоны атомизации до температуры от 1600 до 2100°С за время от 4 до 8 с.One of the aspects of the invention is a method for atomic absorption determination of elements with electrothermal atomization, including the selection of analysis conditions, sample preparation, assembly of an electrothermal atomizer block from units designed to form zones of evaporation, condensation, atomization, carrying out the first and second stages of analysis and obtaining results based on the characteristics of which determine the elemental composition of the sample. At the stage of sample preparation and loading, its total mass from 1 to 25 mg is placed and separated in the working areas of the container channels, which contains from 5 to 30 independent channels with equal internal volumes, which makes it possible to create similar conditions for thermal decomposition, ashing and fractional evaporation from 5 to 30 parts of the sample during analysis. The porous structure of the container material and the large surface of the working area of a separate channel in relation to the area of its entrance to the working area provide the opportunity to reduce emissions of sample fractions. In this case, at the first stage, the temperature of the evaporation unit, in which the multichannel container with the sample is located, is gradually increased to values from 1700 to 2200°C during a heating time of 20 to 60 s. At the second stage of obtaining results, the condensation zone and atomization zone are pulsedly heated to a temperature from 1600 to 2100°C for a time of 4 to 8 s.
Другим аспектом реализации изобретения является устройство, позволяющее осуществлять способ, состоящее из атомно-абсорбционного спектрометра (9), источников питания (И), блока электротермического атомизатора, включающего функционально связанные узлы (1, 4, 6), предназначенные для формирования зон испарения, конденсации и атомизации, отличающееся тем, что узел формирования зоны испарения (1) выполнен с возможностью установки многоканального контейнера (2), либо в монолитной конструкции графитового тигля (фиг. 1), либо на сменном графитовом основании (12) разборной модификации тигля (фиг. 2), состоящей из основания и полого цилиндра (13), при этом многоканальный контейнер содержит от 5 до 30 независимых сквозных каналов (3), выполненных вертикально и параллельно друг другу, где каждый из каналов обеспечивает возможность образования независимой зоны испарения небольшой массы образца (14). Суммарный объем сквозных каналов (3) контейнера (2) обеспечивает возможность размещения общей массы образца от 1 до 25 мг. При этом рабочая зона каждого из 5-30 каналов имеет большую величину соотношения площади поверхности рабочей зоны канала контейнера по отношению к площади входного отверстия канала и составляет от 30:1 до 160:1. Контейнер выполнен из пористого газопроницаемого графита входящего в группу, состоящую из МПГ-6, МПГ-7, МПГ-8, что обеспечивает возможность равномерного нагрева и испарения образцов, размещенных в каналах, и дополнительное снижение уровня выбросов частиц из узких каналов.Another aspect of the invention is a device that makes it possible to implement the method, consisting of an atomic absorption spectrometer (9), power supplies (I), an electrothermal atomizer unit, including functionally connected units (1, 4, 6) intended for the formation of evaporation and condensation zones and atomization, characterized in that the unit for forming the evaporation zone (1) is configured to install a multi-channel container (2), either in a monolithic structure of a graphite crucible (Fig. 1), or on a replaceable graphite base (12) of a collapsible modification of the crucible (Fig. 2), consisting of a base and a hollow cylinder (13), while the multichannel container contains from 5 to 30 independent through channels (3), made vertically and parallel to each other, where each channel allows the formation of an independent zone of evaporation of a small mass of the sample ( 14). The total volume of the through channels (3) of the container (2) makes it possible to accommodate the total mass of the sample from 1 to 25 mg. In this case, the working area of each of the 5-30 channels has a large ratio of the surface area of the working area of the container channel in relation to the area of the channel inlet and ranges from 30:1 to 160:1. The container is made of porous gas-permeable graphite, which is part of the group consisting of MPG-6, MPG-7, MPG-8, which provides the possibility of uniform heating and evaporation of samples placed in the channels, and an additional reduction in the level of particle emissions from narrow channels.
Перечень фигурList of figures
Фиг. 1. Двухстадийный графитовый тигельный атомизатор-испаритель в ортогональном сечении.Fig. 1. Two-stage graphite crucible atomizer-evaporator in an orthogonal section.
Фиг. 2. Сечение узла зоны испарения образца с разборной модификацией графитового тигля.Fig. 2. Cross-section of the evaporation zone assembly of a sample with a dismountable modification of the graphite crucible.
Описание изобретенияDescription of the invention
В процессе исследования состава образцов методом атомно-абсорбционного анализа в устройствах с двухстадийным рабочим циклом прежде всего рассматривали возможность расширения функций атомизатора и уменьшения интенсивности эффектов, возникающих в зоне испарения при нагревании порошковых образцов сложного состава, содержащих литогенные, биогенные и хемогенно-гидрогенные компоненты (например, горных пород, почв, донных отложений, концентратов и взвесей природных вод), помещенных в графитовый тигель. Известно, что при нагревании и фракционном испарении таких образцов часто наблюдаются бурные, взрывные процессы термического разложения органических и минеральных компонентов, взаимодействие продуктов разложения, возможно их спекание, интенсивное выделение газов и выброс крупных и мелких аэрозольных частиц из зоны испарения в зону конденсации и, создающих помехи на стадии атомизации конденсата в аналитической зоне, что ухудшает метрологические характеристики анализа при определении ультрамалых количеств элементов. Этот недостаток относится и к устройствам, использующим стадию предварительной фракционной конденсации паров образца [1-5], в том числе и к конструкции прототипа.In the process of studying the composition of samples using the method of atomic absorption analysis in devices with a two-stage operating cycle, we primarily considered the possibility of expanding the functions of the atomizer and reducing the intensity of the effects that arise in the evaporation zone when heating powder samples of complex composition containing lithogenic, biogenic and chemogenic-hydrogen components (for example , rocks, soils, bottom sediments, concentrates and suspensions of natural waters) placed in a graphite crucible. It is known that when such samples are heated and fractionally evaporated, violent, explosive processes of thermal decomposition of organic and mineral components are often observed, the interaction of decomposition products is possible, their sintering is possible, intense gas release and the release of large and small aerosol particles from the evaporation zone into the condensation zone and, creating interference at the stage of condensate atomization in the analytical zone, which worsens the metrological characteristics of the analysis when determining ultra-small amounts of elements. This drawback also applies to devices that use the stage of preliminary fractional condensation of sample vapor [1-5], including the design of the prototype.
Поэтому продолжаются поиски технических решений, связанных с совершенствованием блока атомизации, в частности, узла испарения и с повышением эффективности процедуры термического разложения, озоления и фракционного испарения порошковых органоминеральных образцов.Therefore, the search continues for technical solutions related to improving the atomization unit, in particular, the evaporation unit, and increasing the efficiency of the procedure for thermal decomposition, ashing and fractional evaporation of powdered organomineral samples.
В процессе работы над усовершенствованием способа двухстадийного нагрева и атомизации компонентов образца и устройства, реализующего способ, было обнаружено, что повысить эффективность и надежность получаемых результатов при исследовании навесок порошковых органоминеральных образцов исследуемого вещества возможно за счет разделения общей навески, размещаемой в объеме узла испарения, на мини дозы в каналах контейнера, в которых процесс испарения проходит в более близких условиях, а интенсивность эффектов, способствующих выбросу частиц, уменьшается. Дополнительный вклад в уменьшение выбросов вносит выбранная форма каналов в многоканальном контейнере с большой величиной соотношения площади поверхности рабочей зоны канала контейнера по отношению к площади входного отверстия канала, а также применение материала контейнера, содержащего развитую пористую структуру. Все эти технические решения приводят к получению синергетического эффекта и способствуют большей степени атомизации компонентов в процессе диффузионно-конвективного переноса паров и снижению поступления частиц в зону конденсации. Это уменьшает помехи в аналитической зоне на стадии атомизации конденсата, увеличивает значение отношения сигнал/шум и улучшает нижний предел обнаружения элементов.In the process of working on improving the method of two-stage heating and atomization of the sample components and the device implementing the method, it was discovered that it is possible to increase the efficiency and reliability of the results obtained when studying samples of powdered organomineral samples of the test substance by dividing the total sample placed in the volume of the evaporation unit into mini doses in the container channels, in which the evaporation process takes place under closer conditions, and the intensity of the effects contributing to the release of particles is reduced. An additional contribution to reducing emissions is made by the selected shape of the channels in a multichannel container with a large ratio of the surface area of the working area of the container channel relative to the area of the channel inlet, as well as the use of container material containing a developed porous structure. All these technical solutions lead to a synergistic effect and contribute to a greater degree of atomization of the components in the process of diffusion-convective vapor transfer and a reduction in the entry of particles into the condensation zone. This reduces interference in the analytical zone at the condensate atomization stage, increases the signal-to-noise ratio and improves the lower detection limit of elements.
Ниже приведено описание устройства, которое не ограничивает применение других модификаций, например, сечения узлов блоков и форма контейнера могут иметь другие геометрические особенности.Below is a description of the device, which does not limit the use of other modifications; for example, the cross-sections of block nodes and the shape of the container may have other geometric features.
Устройство (фиг. 1) состоит из трех цилиндрических узлов (1,4, 6), размещенных вертикально друг над другом и формирующих зону испарения, зону конденсации и зону атомизации с аналитической зоной, источников питания (11), источника излучения (8), спектрометра (9). Узлы выполнены с возможностью их нагрева электрическим током и возможностью обдува защитным инертным газом (например аргоном). За основу конструкции взята схема двухстадийного тигельного атомизатора [4]. В качестве устройств детектирования могут использоваться разные типы спектрометров. Атомы определяемых элементов могут детектироваться методами эмиссионной и абсорбционной спектрометрии, а также другими методами.The device (Fig. 1) consists of three cylindrical units (1,4, 6), placed vertically one above the other and forming an evaporation zone, a condensation zone and an atomization zone with an analytical zone, power sources (11), radiation source (8), spectrometer (9). The units are made with the possibility of heating them with electric current and the possibility of blowing them with a protective inert gas (for example, argon). The design is based on the design of a two-stage crucible atomizer [4]. Different types of spectrometers can be used as detection devices. Atoms of the elements being determined can be detected by emission and absorption spectrometry, as well as other methods.
Цилиндрический узел испарителя (1) выполнен на базе графитового тигля. Второй цилиндрический узел (4), расположенный над тиглем с небольшим теплоизолирующим зазором, формирует на внутренней поверхности цилиндра зону конденсации (5). Третий цилиндрический узел (6), зафиксированный над узлом (4) без зазора, обеспечивает возможность формирования зоны атомизации с конусной внутренней поверхностью, переходящей в просвечиваемую аналитическую зону (7) регистрации компонентов исследуемого конденсата в сквозном цилиндрическом отверстии и с возможностью локализации паров для увеличения уровня сигнала. Ось отверстия совпадает с оптической осью светового потока от источника излучения (8), проходящего через аналитическую зону к спектрометру (9). Каждый из трех цилиндрических узлов снабжены парой независимых электроконтактов (10) с возможностью их охлаждения проточной водой, которые контактируют с их внешней поверхностью. Независимые контакты обеспечивают возможность раздельного нагрева испарителя от источника питания (11) и последующего нагрева второго и с некоторым опережением третьего узла от независимых источников питания. Узлы, формирующие зону испарения, зону конденсации, зону атомизации, т.е. тигель и два цилиндра, выполнены из графита, выбираемого из группы МПГ-6, МПГ-7, МПГ-8, плотностью от 1,65 до 1,8, г/см3 с размером преобладающих пор от 1400 до 8000 нм [6]. Для уменьшения диффузионных потерь элементов эти узлы предпочтительно могут иметь пиролитическое покрытие или выполнены полностью из пирографита.The cylindrical evaporator unit (1) is made on the basis of a graphite crucible. The second cylindrical unit (4), located above the crucible with a small heat-insulating gap, forms a condensation zone (5) on the inner surface of the cylinder. The third cylindrical unit (6), fixed above the unit (4) without a gap, provides the possibility of forming an atomization zone with a conical inner surface that passes into a translucent analytical zone (7) for recording the components of the condensate under study in a through cylindrical hole and with the possibility of localizing vapors to increase the level signal. The axis of the hole coincides with the optical axis of the light flux from the radiation source (8) passing through the analytical zone to the spectrometer (9). Each of the three cylindrical units is equipped with a pair of independent electrical contacts (10) with the possibility of cooling them with running water, which are in contact with their outer surface. Independent contacts provide the possibility of separate heating of the evaporator from the power source (11) and subsequent heating of the second and, with some advance, the third unit from independent power sources. The nodes that form the evaporation zone, condensation zone, atomization zone, i.e. crucible and two cylinders, made of graphite, selected from the group MPG-6, MPG-7, MPG-8, with a density from 1.65 to 1.8 g/cm 3 with a predominant pore size from 1400 to 8000 nm [6] . To reduce diffusion losses of elements, these units can preferably have a pyrolytic coating or be made entirely of pyrographite.
Основное внимание при решении технической задачи было направлено на конструкцию нового элемента устройства, которым является многоканальный контейнер (2), устанавливаемый во внутренний рабочий объем графитового тигля (1). В каналах (3) контейнера (2) размещают исследуемый порошковый органоминеральный образец (14).The main attention in solving the technical problem was directed to the design of a new element of the device, which is a multi-channel container (2), installed in the internal working volume of a graphite crucible (1). The powder organomineral sample (14) under study is placed in the channels (3) of the container (2).
Графитовый тигель (1) может быть выполнен монолитным, как это показано на фиг. 1 или представлять разборную конструкцию из сменного графитового основания (12), на которое устанавливают полый цилиндр (13), формирующий рабочий объем тигля (1) как это показано на фиг. 2. Разборная конструкция дополнительно упрощает возможность замены использованного контейнера (2) без существенной разборки устройства. Контейнер имеет цилиндрическую форму и выполнен из пористого газопроницаемого графита. Для размещения исследуемого образца в объеме контейнера (2) выполнено от 5 до 30 сквозных отверстий - каналов (3) оси которых параллельны друг другу. Перед началом эксперимента с применением неметаллических пинцетов (например, медицинских) контейнер (2) устанавливают во внутренний объем, либо монолитной (фиг. 1), либо разборной конструкции графитового тигля (фиг. 2). На следующем этапе в тигель помещают подготовленную измельченную общую навеску образца с размерами частиц менее 0,1 мм. Контейнер (2) содержит от 5 до 30 независимых сквозных каналов, которые обеспечивают возможность образования независимых зон испарения небольшой массы образца при общей дозе исследуемого образца от 1 до 25 мг. При этом обеспечивается возможность создания близких условий для термического разложения, озоления и испарения образца за счет увеличения поверхности контакта частиц с внутренней поверхностью каждого из каналов. Одновременно с этим обеспечивается дополнительное снижение уровня выбросов крупных и мелких аэрозольных частиц при газообразовании в период нагрева за счет физического контакта и взаимодействия частиц образца с пористой и структурированной внутренней поверхностью каждого из каналов контейнера и за счет увеличения степени атомизации компонентов образца при диффузионно-конвективном переносе паров.The graphite crucible (1) can be made monolithic, as shown in Fig. 1 or represent a collapsible structure from a replaceable graphite base (12), on which a hollow cylinder (13) is installed, forming the working volume of the crucible (1) as shown in Fig. 2. The collapsible design further simplifies the ability to replace the used container (2) without significant disassembly of the device. The container has a cylindrical shape and is made of porous gas-permeable graphite. To place the test sample in the volume of the container (2), from 5 to 30 through holes are made - channels (3) whose axes are parallel to each other. Before starting an experiment using non-metallic tweezers (for example, medical ones), the container (2) is installed in the internal volume of either a monolithic (Fig. 1) or a collapsible structure of a graphite crucible (Fig. 2). At the next stage, a prepared crushed sample sample with particle sizes less than 0.1 mm is placed in the crucible. Container (2) contains from 5 to 30 independent through channels, which provide the possibility of forming independent zones of evaporation of a small sample mass with a total dose of the test sample from 1 to 25 mg. This makes it possible to create similar conditions for thermal decomposition, ashing and evaporation of the sample by increasing the surface of contact of particles with the inner surface of each channel. At the same time, an additional reduction in the level of emissions of large and small aerosol particles during gas formation during the heating period is ensured due to physical contact and interaction of sample particles with the porous and structured inner surface of each of the container channels and by increasing the degree of atomization of the sample components during diffusion-convective vapor transfer .
При проведении атомно-абсорбционного определения элементов с применением электротермической атомизации порошков выполняют следующие этапы: выбор условий проведения анализа, подготовку порошкового образца и его загрузку в тигель и размещение в каналах контейнера, сборку блока электротермического атомизатора из узлов, предназначенных для формирования зоны испарения, зоны конденсации и зоны атомизации, с предварительной их термообработкой при температуре не менее 2000°С для удаления загрязнений; проведение анализа по характеристикам которого определяют элементный состав образца. На этапе пробоподготовки образца получают частицы исследуемого образца с размером менее 0,1 мм (обычно от 0,05 до 0,08 мм), подготовленных в соответствии с известными рекомендациями по пробоподготовке [7]. На этапе загрузки с применением неметаллических пинцетов (например, медицинских) устанавливают контейнер (2) во внутренний объем монолитной (фиг. 1) или разборной модификации тигля (фиг. 2), а затем помещают общую массу образца в тигель и распределяют на дозы в каналах контейнера. Для лучшей упаковки порошкового образца используют известный в спектрометрии прием встряхивания узла испарителя. Такая же процедура осуществляется и с порошковыми образцами сравнения для построения градуировочных графиков. При этом количество каналов контейнера, форму каналов, а также размещение каналов друг относительно друга и материал, из которого выполнен контейнер, выбирают с учетом физико-химических свойств порошкового образца для обеспечения возможности создания близких условий термического разложения, озоления и фракционного испарения малой массы образцов в каналах контейнера, а также с учетом присутствия органических включений и необходимого снижения выброса частиц из зоны испарения.When carrying out atomic absorption determination of elements using electrothermal atomization of powders, the following steps are performed: selection of analysis conditions, preparation of a powder sample and its loading into a crucible and placement in the container channels, assembly of an electrothermal atomizer block from units intended to form an evaporation zone, a condensation zone and atomization zones, with their preliminary heat treatment at a temperature of at least 2000°C to remove contaminants; carrying out an analysis based on the characteristics of which determines the elemental composition of the sample. At the sample preparation stage, particles of the test sample with a size of less than 0.1 mm (usually from 0.05 to 0.08 mm) are obtained, prepared in accordance with known recommendations for sample preparation [7]. At the loading stage, using non-metallic tweezers (for example, medical ones), a container (2) is installed in the internal volume of a monolithic (Fig. 1) or collapsible modification of the crucible (Fig. 2), and then the total mass of the sample is placed in the crucible and distributed into doses in the channels container. For better packaging of the powder sample, a technique known in spectrometry is used to shake the evaporator assembly. The same procedure is carried out with powder reference samples to construct calibration graphs. In this case, the number of container channels, the shape of the channels, as well as the placement of the channels relative to each other and the material from which the container is made are selected taking into account the physicochemical properties of the powder sample to ensure the possibility of creating similar conditions for thermal decomposition, ashing and fractional evaporation of a small mass of samples in container channels, as well as taking into account the presence of organic inclusions and the necessary reduction in the emission of particles from the evaporation zone.
На следующем этапе проводят полную сборку узлов блока электротермического атомизатора из узлов, предназначенных для формирования зоны испарения, зоны конденсации и зоны атомизации.At the next stage, the complete assembly of the units of the electrothermal atomizer block is carried out from the units intended to form the evaporation zone, the condensation zone and the atomization zone.
На заключительном этапе проводят двухстадийный нагрев и регистрацию аналитического сигнала. При этом:At the final stage, two-stage heating and recording of the analytical signal are carried out. Wherein:
а) на первой стадии осуществляют электрический нагрев с постепенным повышением температуры от 1700 до 2200°С в течение от 20 до 60 с первого узла для термического разложения, озоления и фракционного испарения образца, размещенного в контейнере, при одновременной конденсации испаряемых компонентов на внутренней поверхности второго узла; б) на второй стадии при продолжении нагрева первого узла осуществляют импульсный нагрев второго узла зоны конденсации и с некоторым опережением третьего узла зоны атомизации до температуры от 1600 до 2100°С за время от 4 до 8 с, при этом в аналитической зоне осуществляется взаимодействие светового потока с парами образца и регистрация аналитического сигнала.a) at the first stage, electrical heating is carried out with a gradual increase in temperature from 1700 to 2200 ° C for 20 to 60 s of the first unit for thermal decomposition, ashing and fractional evaporation of the sample placed in the container, with simultaneous condensation of the evaporated components on the inner surface of the second node; b) at the second stage, while heating the first node continues, the second node of the condensation zone is pulsedly heated and, with some advance, the third node of the atomization zone to a temperature from 1600 to 2100°C for a time of 4 to 8 s, while the interaction of the light flux occurs in the analytical zone with sample pairs and registration of the analytical signal.
Применение нового способа размещения образца, при котором общую дозу разделяют на малые объемы в независимых рабочих зонах каналов контейнера, позволяет снизить уровень выбросов крупных и мелких аэрозольных частиц по сравнению с прототипом при газообразовании в период нагрева и испарения образца. Взаимодействие частиц образца с большой пористой и структурированной внутренней поверхностью каждого из каналов контейнера позволяет повысить степень атомизации компонентов за счет равномерности нагрева малых доз при диффузионно-конвективном переносе паров.The use of a new method of sample placement, in which the total dose is divided into small volumes in independent working zones of the container channels, makes it possible to reduce the level of emissions of large and small aerosol particles compared to the prototype during gas formation during the heating and evaporation of the sample. The interaction of sample particles with the large porous and structured inner surface of each of the container channels makes it possible to increase the degree of atomization of the components due to the uniform heating of small doses during diffusion-convective vapor transfer.
Пример 1 Сравнение сигналов абсорбции неселективного поглощения в разных типах тигельных атомизаторов.Example 1 Comparison of non-selective absorption absorption signals in different types of crucible atomizers.
Известно, что метрологические характеристики определения элементов в образцах сложного состава (пределы обнаружения, воспроизводимость) ухудшаются с увеличением уровня неселективного поглощения (часто до единицы абсорбции и более, что сильно затрудняет возможность получения результатов).It is known that the metrological characteristics of determining elements in samples of complex composition (detection limits, reproducibility) deteriorate with increasing level of non-selective absorption (often up to an absorption unit or more, which greatly complicates the possibility of obtaining results).
Проведено сравнение сигналов абсорбции неселективного поглощения при определении элементов (Ag, Cd, Bi, Tl) в порошковых образцах, помещаемых разными способами в тигельные атомизаторы.A comparison of non-selective absorption absorption signals was carried out when determining elements (Ag, Cd, Bi, Tl) in powder samples placed in crucible atomizers using different methods.
В таблице 1 приведены экспериментальные данные по величине сигналов абсорбции неселективного поглощения при определении элементов в органоминеральных образцах, характеризующихся интенсивным испарением основы и выбросом частиц. В экспериментах использовали одну стадию фракционной конденсации при испарении навесок образцов массой 3-20 мг. Данные эксперимента показали, что применение тигельного атомизатора, содержащего многоканальный контейнер, в котором общая масса образца разделялась и распределялась в независимые каналы контейнера, по сравнению с прототипом, в котором общую массу образца размещали непосредственно на дне тигля, обеспечивает снижение уровня неселективного поглощения. В результате достигается увеличение отношения аналитический сигнал/шум и необходимое снижение пределов обнаружения элементов (по крайней мере в 2-5 раз) и повышение надежности результатов определения.Table 1 shows experimental data on the magnitude of nonselective absorption absorption signals when determining elements in organomineral samples characterized by intense evaporation of the base and emission of particles. In the experiments, one stage of fractional condensation was used during the evaporation of sample samples weighing 3-20 mg. The experimental data showed that the use of a crucible atomizer containing a multichannel container, in which the total mass of the sample was divided and distributed into independent channels of the container, compared with the prototype, in which the total mass of the sample was placed directly at the bottom of the crucible, reduces the level of non-selective absorption. As a result, an increase in the analytical signal/noise ratio and the necessary reduction in the detection limits of elements (at least 2-5 times) and an increase in the reliability of determination results are achieved.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Предлагаемое устройство предназначено для электротермического атомно-абсорбционного определения микроэлементного состава порошковых образцов, содержащих литогенные, биогенные и хемогенно-гидрогенные компоненты (например, горные породы, почвы, донные отложения, концентраты и взвеси природных вод), что важно для решения актуальных экологических и геохимических задач. Устройство и способ рассчитаны на выбор оптимальных условий проведения анализа за счет снижения факторов, влияющих на пределы обнаружения и надежность определения ультрамалых количеств элементов из-за интенсивных процессов термического разложения порошковых органоминеральных образцов, взаимодействия продуктов разложения, выделения газов и выброса крупных и мелких аэрозольных частиц из зоны испарения атомизатора.The proposed device is intended for electrothermal atomic absorption determination of the microelement composition of powder samples containing lithogenic, biogenic and chemogenic-hydrogen components (for example, rocks, soils, bottom sediments, concentrates and suspensions of natural waters), which is important for solving current environmental and geochemical problems . The device and method are designed to select optimal conditions for analysis by reducing factors affecting the limits of detection and reliability of determination of ultra-small amounts of elements due to intensive processes of thermal decomposition of powdered organomineral samples, interaction of decomposition products, release of gases and the release of large and small aerosol particles from atomizer evaporation zones.
Устройство имеет существенные преимущества перед устройствами двухстадийных атомизаторов для аналитической спектрометрии, например, с использованием выносных зондов. Применение многоканального контейнера для размещения большой массы исследуемого образца и последующего увеличения количества конденсата на стенках узла конденсации для повышения уровня сигнала в режиме атомизации позволяет не проводить многократную замену малых порций образца в зоне испарения, для которой требуется разборка и новая сборка узлов. Тем самым сокращается большое количество времени на проведение всего эксперимента и экономится электричество, необходимое для нагрева при испарении образца.The device has significant advantages over two-stage atomizer devices for analytical spectrometry, for example, using external probes. The use of a multichannel container to accommodate a large mass of the sample under study and subsequent increase in the amount of condensate on the walls of the condensation unit to increase the signal level in the atomization mode makes it possible to avoid repeated replacement of small portions of the sample in the evaporation zone, which requires disassembly and new assembly of units. This reduces a large amount of time for carrying out the entire experiment and saves the electricity required for heating during evaporation of the sample.
Источники информацииInformation sources
1. Гильмутдинов А.X., Нагулин К.Ю. Способ элементного анализа вещества и устройства его реализующие. Патент России №2370755 (2009).1. Gilmutdinov A.X., Nagulin K.Yu. A method for elemental analysis of a substance and devices that implement it. Russian patent No. 2370755 (2009).
2. Gilmutdinov A., Sperling М, Welz В. Electrothermal atomization means for analytical spectrometry. US Patent. 1999. №598, 19, 12.2. Gilmutdinov A., Sperling M, Welz V. Electrothermal atomization means for analytical spectrometry. US Pat. 1999. No. 598, 19, 12.
3. Захаров Ю.А., Кокорина О.Б. Способ спектрального анализа. Патент России. №2273842 (2006).3. Zakharov Yu.A., Kokorina O.B. Method of spectral analysis. Russian patent. No. 2273842 (2006).
4. Орешкин В.Н., Внуковская Г.Л., Цизин Г.И. Улучшение метрологических характеристик прямого АА и АФ определения Ag, Bi, Cd, Tl в морской и речной взвеси и концентратах (после сорбции из вод). Геохимия 1998. №1. с. 108-111.4. Oreshkin V.N., Vnukovskaya G.L., Tsizin G.I. Improving the metrological characteristics of direct AA and AF determination of Ag, Bi, Cd, Tl in sea and river suspended matter and concentrates (after sorption from waters). Geochemistry 1998. No. 1. With. 108-111.
5. Орешкин В.Н. Электротермический двухстадийный атомизатор для аналитической спектрометрии. Патент России №199394 (2020).5. Oreshkin V.N. Electrothermal two-stage atomizer for analytical spectrometry. Russian patent No. 199394 (2020).
6. Технические параметры графитов типа МПГ(МПГ-6,7,8) [https://gigabaza.ru/doc/32233].6. Technical parameters of graphites of the MPG type (MPG-6,7,8) [https://gigabaza.ru/doc/32233].
7. Карпов Ю.А., Савостин А.П. Методы пробоотбора и пробоподготовки. М.: БИНОМ Лаборатория знаний. 2003. 248 с.7. Karpov Yu.A., Savostin A.P. Methods of sampling and sample preparation. M.: BINOM Knowledge Laboratory. 2003. 248 p.
Claims (8)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2806706C1 true RU2806706C1 (en) | 2023-11-03 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5981912A (en) * | 1996-02-01 | 1999-11-09 | Bodenseewerk Perkin-Elmer Gmbh | Electrothermal atomization means for analytical spectrometry |
RU2273842C1 (en) * | 2004-10-08 | 2006-04-10 | Юрий Анатольевич Захаров | Mode of a spectral analysis |
RU2370755C2 (en) * | 2007-08-15 | 2009-10-20 | Альберт Харисович Гильмутдинов | Elemental analysis method and device to this end |
RU199394U1 (en) * | 2020-05-26 | 2020-08-31 | Федеральный исследовательский центр "Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук" (ФИЦ ПНЦБИ РАН) | ELECTROTHERMAL TWO-STAGE ATOMIZER FOR ANALYTICAL SPECTROMETRY |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5981912A (en) * | 1996-02-01 | 1999-11-09 | Bodenseewerk Perkin-Elmer Gmbh | Electrothermal atomization means for analytical spectrometry |
RU2273842C1 (en) * | 2004-10-08 | 2006-04-10 | Юрий Анатольевич Захаров | Mode of a spectral analysis |
RU2370755C2 (en) * | 2007-08-15 | 2009-10-20 | Альберт Харисович Гильмутдинов | Elemental analysis method and device to this end |
RU199394U1 (en) * | 2020-05-26 | 2020-08-31 | Федеральный исследовательский центр "Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук" (ФИЦ ПНЦБИ РАН) | ELECTROTHERMAL TWO-STAGE ATOMIZER FOR ANALYTICAL SPECTROMETRY |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Desgroux et al. | Comparative study of the soot formation process in a “nucleation” and a “sooting” low pressure premixed methane flame | |
Butcher et al. | A practical guide to graphite furnace atomic absorption spectrometry | |
Broekaert | State of the art of glow discharge lamp spectrometry. Plenary lecture | |
Varma | Revival: CRC Handbook of Furnace Atomic Absorption Spectroscopy (1990) | |
Marschner et al. | Flame-in-gas-shield and miniature diffusion flame hydride atomizers for atomic fluorescence spectrometry: optimization and comparison | |
EP2282193B1 (en) | Atomic absorption mercury analyser | |
Wohlmann et al. | Development of an electrothermal vaporizer for direct mercury determination in soil by inductively-coupled plasma mass spectrometry | |
Hou et al. | Determination of selenium by tungsten coil atomic absorption spectrometry using iridium as a permanent chemical modifier | |
Broekaert et al. | Recent trends in atomic spectrometry with microwave-induced plasmas | |
Rosenkranz et al. | Microwave-induced plasma–optical emission spectrometry–fundamental aspects and applications in metal speciation analysis | |
Cai et al. | Direct ultratrace detection of lead in a single hair using portable electromagnetic heating vaporization-atmospheric pressure glow discharge-atomic emission spectrometry | |
Evans et al. | Atomic spectrometry update: review of advances in atomic spectrometry and related techniques | |
RU2806706C1 (en) | Method for electrothermal atomic absorption analysis of composition of powder samples and device for its implementation | |
Hieftje | Atomic emission spectroscopy—it lasts and lasts and lasts | |
Jackson | Electrothermal atomic absorption spectrometry and related techniques | |
Blades et al. | Application of weakly ionized plasmas for materials sampling and analysis | |
Aller | Fundamentals of Electrothermal Atomic Absorption Spectrometry: A Look Inside the Fundamental Processes in ETAAS | |
Lam et al. | Ultra-trace determination of Se in sediments by electrothermal vaporizer-inductively coupled plasma-mass spectroscopy: use of the ETV as a thermochemical reactor | |
Bouza et al. | Volatile organic compound analysis by pulsed glow discharge time of flight mass spectrometry as a structural elucidation tool | |
Papendorf et al. | Velocity‐resolved Laser‐induced Desorption for Kinetics on Surface Adsorbates | |
Sturgeon | The graphite furnace and its role in atomic spectroscopy | |
Gornushkin et al. | Use of laser-excited atomic fluorescence spectrometry with a novel diffusive graphite tube electrothermal atomizer for the direct determination of silver in sea water and in solid reference materials | |
RU199394U1 (en) | ELECTROTHERMAL TWO-STAGE ATOMIZER FOR ANALYTICAL SPECTROMETRY | |
Marshall et al. | Investigation of graphite-probe atomisation for carbon-furnace atomic emission spectrometry | |
Baxter et al. | Electrothermal atomic emission spectrometry |