Введение к работе
Актуальность. Элементный анализ, т.е. определение количественного элементного состава исследуемых материалов, лежит в основе многих современных материаловедческих и экологических методик. Одним из наиболее используемых методов элементного анализа в настоящее время является атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС). Она успешно применяется для определения малых концентраций всех основных металлов и некоторых неметаллов (Se, As, Р) в различных объектах (воде, биологических материалах, продуктах питания и т.д.) при решении задач экологического и санитарного контроля, биологии, медицины и многих других. Этот метод, основанный на измерении резонансного (селективного) поглощения излучения атомами анализируемой пробы, нашел широкое применение благодаря высоким аналитическим свойствам, а также простоте реализации и удобству работы.
В мире оборудование для метода ААС - атомно-абсорбционные спектрометры выпускают более десятка приборостроительных компаний, среди которых разворачивается интенсивная конкурентная борьба. Однако, при всем разнообразии моделей выпускаемых спектрометров, большинство из них построено на одной из двух традиционных схем, разработанных для коррекции неселективного поглощения - основного мешающего эффекта при реализации метода атомно-абсорбционной спектроскопии, а именно, с коррекцией с помощью дополнительного источника сплошного спектра или с коррекцией на основе эффекта Зеемана с модуляцией магнитного поля.
Обоим традиционным схемам приборов для атомно-абсорбционного анализа свойственен ряд трудно решаемых технических проблем. А именно, на результаты измерения существенно влияют два фактора: нестабильность интенсивности резонансного излучения и излучение от посторонних источников (в том числе свечение электротермического атомизатора). Эти проблемы в традиционных схемах решаются привлечением дополнительных систем и устройств, что приводит к усложнению конструкции приборов. Альтернативный метод Зеемановской модуляционной поляризационной спектрометрии (ЗМПС) позволяет реализовать в приборах другой подход к коррекции неселективного поглощения. Этот подход отличается тем, что указанные выше проблемы, свойственные методу ААС, в нем решаются с. помощью одного технического устройства. Реализация метода ЗМПС позволила российской компании аналитического приборостроения Люмэкс создать серийный АА-спектрометр МГА-915, который занял уверенные позиции на рынке аналитического оборудования России и СНГ. Этот факт, а также новые требования, постоянно возникающие как в контроле объектов окружающей среды и, так и в техническом контроле материалов, ставят перед ААС новые задачи, заключающиеся, в частности, в необходимости анализа элементов, по разным причинам недоступных для традиционных схем.
Поэтому разработка нового метода измерения селективного поглощения для
атомно-абсорбционной спектрометрии, обладающего явными
преимуществами перед уже реализованными методами, безусловно, является весьма актуальной задачей.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлась разработка нового метода коррекции неселективного поглощения в атомно-абсорбционной спектрометрии, имеющего преимущества по сравнению аналогами и пригодного для реализации в качестве нового АА-спектрометра.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
Изучить и проанализировать недостатки существующих схем АА-спектрометров.
Теоретически обосновать новый метод измерения селективного поглощения.
Найти техническое решение для реализации нового метода измерения селективного поглощения и реализовать его в виде экспериментального образца атомно-абсорбционного спектрометра.
Показать аналитические возможности предлагаемого метода путем анализа модельных образцов на экспериментальном образце нового АА-спектрометра.
Новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
Разработан и реализован в виде действующего экспериментального образца АА-спектрометр, основанный на методе Зеемановской поляризационной атомно-абсорбционной спектрометрии (ЗП-ААС). Метод ЗП-ААС отличается от традиционных методов ААС тем, что измерение резонансного атомного поглощении производиться по углу поворота плоскости поляризации пучка излучения после прохождения поглощающей среды.
Проведена оценка аналитических характеристик разработанного ЗП-АА-спектрометра. Показано, что его аналитические характеристики не уступают традиционным аналогам.
Предложено и реализовано оригинальное устройство для измерения угла наклона плоскости поляризации пучка оптического излучения. Проведена оптимизация элементов этого устройства. Получены выражения для аналитического сигнала, определяющего селективное поглощение резонансного излучения атомами анализируемой пробы.
Практическая значимость работы состоит в том, что в ней разработан принципиально новый АА-спектрометр, имеющий существенные преимущества над традиционными аналогами. При этом ЗП-АА-спектрометр не уступает по аналитическим характеристикам традиционным аналогам и более прост по конструкции. Эти обстоятельства делают ЗП-АА-спектрометр весьма перспективным для внедрения в серийное производство.
Положения, выносимые на защиту.
Атомно-абсорбционный спектрометр, созданный в результате данного исследования, обеспечивает корректное измерение селективного атомного поглощения в присутствии неселективного поглощения. При этом его аналитические характеристики не уступают мировым аналогами.
На результаты измерений методом ЗП-ААС не оказывает влияния нестабильность (дрейф, флуктуации) резонансного излучения, проявляющаяся с частотой, меньшей частоты модуляции. По этой причине для реализации ЗП-АА-спектрометра нет необходимости использовать двулучевую схему.
Результаты измерения методом ЗП-ААС устойчивы к паразитному свечению электротермического атомизатора, при условии, что интенсивность паразитного свечения не превышает рабочего диапазона фотоприемника. По этой причине реализации ЗП-АА-спектрометра не требует дополнительных устройств для коррекции паразитного излучения
Апробация работы. Основные положения работы были представлены в работе следующих конференций:
"Фундаментальная математика и её приложения в естествознании" 1-6 октября 2009 г. Уфа,
Вторая международная научно-практическая конференция "Измерения в современном мире-2009". 8-Ю декабря 2009 г. Санкт-Петербург,
ХХГУСъезда по спектроскопии 28 февраля - 5 марта 2010, Москва.
Также работа проходила апробацию на конкурсе научных работ молодых
ученых в области оптики и спектроскопии им. С.Л. Мандельштама (г. Москва,
март 2010 г), на котором работа была удостоена диплома второй степени.
Публикации. Основные материалы работы опубликованы в 7 научных работах. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Материалы работы изложены на 120 страницах, содержат 63 рисунка и 10 таблиц. Список литературы состоит из 51 наименования.
