Ugrás a tartalomhoz

ATOMABSZORPCIÓS SPEKTROMETRIA

Dr. Posta József

Hallgatói Információs Központ

8. fejezet - Az atomabszorpciós spektrometria jövőbeli fejlődési irányai

8. fejezet - Az atomabszorpciós spektrometria jövőbeli fejlődési irányai

Az elmúlt évtized atomspektroszkópiai irodalmát áttekintve megállapítható, hogy az atomabszorpciós spektrometria az egyik legelterjedtebb atomspektroszkópiai módszer a rutin analitika területén. A lángatomabszorpciós (FAAS) módszerről már alig jelennek meg cikkek, mert annyira mindennapos rutin módszerré vált, hogy teljesítőképességét korlátaival együtt senki nem vitatja. Nem ennyire problémamentes még mindmáig a grafitkemencés (GFAAS) módszer. A 2000 – 3000 oC-on izzó grafit felületen, inert atmoszférában, összetett szilárd fázis folyamatai még alapkutatás szintjén is számos kérdést vetnek fel. E folyamatok tisztázása teszi lehetővé zavaró hatások további csökkentését, az analitikai érzékenység növelését. Az alapkutatási tapasztalatok teszik lehetővé az abszolút atomabszorpciós spektrometria bevezetését, amely már évtizedek óta foglalkoztatja a szakembereket. Ugyancsak régóta foglalkoznak az e területen dolgozó szakemberek a szimultán multielemes AAS megvalósításával, amely törekvést a legutóbbi időben siker koronázta.

Nagy felbontású folytonos fényforrással működő AAS (HR-CS AAS = high resolution continuous source AAS)

A szimultán AAS elemzés külön fejezetét jelenti az utóbbi években bevezetett folytonos fényforrással működő AAS módszer, amelyről az első összefoglaló munka 2005-ben jelent meg [17]. Ahogy azt a 5. 1. 1. fejezetben tárgyaltuk, az atomabszorpciós spektrometria bevezetésekor kiderült, hogy hagyományos felbontású monokromátort alkalmazva csak akkor tudjuk a módszert analitikai célra használni, ha kis félértékszélességű vonalakat kibocsátó spektrállámpákat (üregkatód lámpákat) használunk. Ez természetesen azzal járt, hogy minden elem meghatározásához külön lámpára van szükség. Az AAS készülékeket tervező és gyártó cégek az elmúlt 50 évben azonban továbbra sem mondtak le arról a lehetőségről, hogy folytonos fényforrással működő készüléket tervezzenek, amely többek között magában hordozza a szimultán atomabszorpciós elemzés lehetőségét is, és ezzel kiváltható legyen a mintegy 70, eléggé költséges üregkatód lámpa egyetlen folytonos fényforrással.

Az új elven működő készülék hatásos működését többek között az is gátolta, hogy a konstruktőrök a rendelkezésre álló kereskedelmi alkatrészekből, illetve azok módosításaival próbálták összeállítani az új rendszert. Berlinben viszont az ISAS (Institute for Analytical Science) kutatócsoportja az új elven működő készülék követelményeiből indult ki, és ehhez dolgozott ki megfelelő egységeket. Ez a készülék három egységét: (i) a fényforrást, (ii) a fényfelbontó, hullámhossz kiválasztó rendszerét és (iii) detektorát jelenti.

Fényforrás

Olyan fényforrásra van szükség, amely folyamatos és közel egyenletes fényintenzitást biztosít 190 nm-től kezdődően a teljes UV és látható színképtartományban. A CS-AAS korábbi bevezetésénél az egyik fontos akadálya épp az volt, hogy a nagy fényerejűnek tartott kereskedelmi nagynyomású xenon lámpa fényintenzitása több mint egy nagyságrenddel marad el az üregkatód lámpák intenzitásától. Különösen szerény volt a fényereje a vákuum UV tartományban, ahol például az arzén és szelén meghatározása történik.

Ezen a téren a nagy áttörést az jelentette, hogy a berlini kutatócsoport a hagyományos xenon lámpa szerkezetét és működési paramétereit a jelen célnak megfelelően megváltoztatta. A hagyományos xenon lámpa diffúz ívét módosítva, az eddiginél is nagyobb nyomású mikro-ív lámpát fejlesztett ki. A ív kiterjedése kisebb lett mint 1 mm, átmérője 0,2 mm („hot-spot” lámpa). A xenon nyomása hidegen 17 bar, amely üzem közben a négyszeresére növekszik. A plazma hőmérséklete 10 000 K. Az új lámpa teljesítménye 300 W (20 V, 15 A). Ezzel a hagyományos xenon lámpához képest a fényintenzitás 100-szorosra nőtt az UV alsó tartományaiban is.

Hullámhossz kiválasztása

A hagyományosan üregkatód lámpával működő AAS készülék rácsos monokromátorának kilépő résén megjelenő színkép sávszélessége általában 0,2 – 1 nm között változtatható. Ahhoz, hogy a készülék folytonos fényforrással működtethető legyen, legalább 3 nagyságrenddel kisebb, azaz pikométer nagyságrendű sávszélességre van szükség.

Ilyen nagy felbontás eléréséhez az alapot az optikai rácsnak azt a tulajdonsága adja, mely szerint (a 24. ábrán is látható módon) minél nagyobb a színkép rend, annál nagyobb a spektrális felbontás. Eszerint, az AAS elemzéshez olyan színképrendet kell kiválasztani, amely már eléri a kívánt felbontást. A színkép ilyen mértékű felbontásához, amelynek eredményeképpen a monokromátor résének sávszélessége összemérhető az atomabszorpciós vonal szélességével (128. ábra) az 50 – 150 rendbeli színképeket használják fel elemzésre.

128. ábra Elvi ábra a monokromátor kilépő rése és az abszorpciós vonalprofil viszonyáról

A szimultán elemzés feltétele a színkép olyan formában történő megjelenítése, hogy az egyes elemző vonalak egyidejűleg detektálhatóak legyenek. Ehhez más szimultán spektrometriás módszerekhez hasonlóan az echelle prizma-rács kombinációjú fényelbontást alkalmazták. A 129. ábrán bemutatott elrendezés szerint a xenon lámpa fénye a belépő résen keresztül a kollimátor tükörre kerül, ahonnan a 30o-s kvarcprizmán keresztül a prizma síkjára merőleges, úgynevezett echelle rácsra esik. A rácson felbomló és visszaverődő színkép újból áthalad a prizmán, ahol a különböző színképrendek térben elkülönülnek egymástól. Az így kialakuló kétdimenziós színkép egy homorú tükör segítségével a CCD detektor síkjára képződik le élesen.

129. ábra A színkép kétdimenziós megjelenítése prizma-rács kombinációjú polikromátorral

A detektálás módja

Miután az echelle fényfelbontó rendszer a színképet kétdinemzióban jeleníti meg, adott a szimultán elemzés lehetősége az atomabszorpció spektrometriában is. Ahhoz hogy kihasználhassuk a nagy felbontás és a szimultán elemzés lehetőségeit a detektorra is fontos feladatok hárulnak. A kifejlesztett gyári készülék detektáló felülete 1024 x 1024 pixelből áll. Egy pixel mérete 24 x 24 μm. Az egyes pixelek, mint szilárdtest detektorok működését az 5.2.2. fejezetben tárgyaltuk. E detektornak érzékenynek kell lennie az atomabszorpciós elemzések teljes tartományában: 180 – 860 nm között. A nagy érzékenységet a konstruktőrök úgy érték el, hogy a klasszikusnak számító szemből történő megvilágítás helyett a CCD (charge coupled device) felület hátoldalán extrém vékony kvarcréteget alakítottak ki, és ebből a hátoldali irányból világítják meg a detektort, megnövelve a kvantumhasznosítási tényezőt. Ezzel az UV tartományban 0.9 elektron per foton hatékonyság érhető el. A detektor dinamikus tartománya a zajszintnek és a telítési kapacitásának a függvénye. A CS AAS készükéknél a telítési kapacitás 600 000 – 800 000 elektron pixelenként, a zajszint pedig 5 – 30 elektron pixelenként.

Amikor a CCD detektorra színképvonalak esnek, ezek függőlegesen elhelyezkedő korlátozott számú pixelben hoznak létre elektromos jelet. A képződő elektronok gyorsan és párhuzamosan jutnak el a kiolvasó regiszterhez (130. ábra). Az egyes oszlopok egy-egy hullámhosszat képviselnek, a függőleges pixelek pedig a hagyományos spektrométerek résmagasságának felelnek meg. Így valósul meg a gyors szimultán adatkiolvasás lehetősége.

A 130. ábrán bemutatott kiolvasási mód nem mindig valósul meg. Az echelle polikromátor segítségével megjelentetett kétdimenziós színképben az egyes színképvonalak nem tökéletesen függőlegesek. Így több függőleges oszlopot is érint egy hullámhossz. Ezért az egyes pixelek külön-külön történő kiolvasására van szükség, ami lassítja a jelfeldolgozást. A detektorrendszer fejlesztése még további javulást hozhat az immár szimultán multielemes atomabszorpciós spektrometria területén.

130. ábra A CCD detektorok adatkiolvasási sémája