Атомно-абсорбционный спектрометр с коррекцией неселективного поглощения на основе эффекта Зеемана в постоянном магнитном поле
Диссертация
Автор: Михновец, Павел Владимирович
Название: Атомно-абсорбционный спектрометр с коррекцией неселективного поглощения на основе эффекта Зеемана в постоянном магнитном поле
Справка: Михновец, Павел Владимирович. Атомно-абсорбционный спектрометр с коррекцией неселективного поглощения на основе эффекта Зеемана в постоянном магнитном поле : диссертация кандидата технических наук : 01.04.01 / Михновец Павел Владимирович; [Место защиты: Ин-т аналит. приборостроения РАН] - Санкт-Петербург, 2010 - Количество страниц: 120 с. ил. Санкт-Петербург, 2010 120 c. :
Объем: 120 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2010
Содержание:
Введение
Глава 1 Атомно-абсорбционная спектрометрия с электротермической атомизацией: современное состояние и тенденции развития
П11 Основы метода электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии 9 П 111 Принципы, заложенные в основу атомно-абсорбционной спектрометрии
П 112 Обзор техники
П 113 Правила Уолша
П 114 Закон Бугера — Ламберта - Бера
П 115 Аналитические измерения методом ААС
П 121 Сравнение атомно-абсорбционной спектрометрии с другими методами элементного анализа
П 122 Область применения атомно-абсорбционной спектрометрии в аналитической химии
П 13 Принципиальные сложности и ограничения, свойственные атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией
П 131 Неселективное поглощение
П, 132 Флуктуации яркости лампы
П 133 Паразитное свечение электротермической кюветы
П 134 Спектральные наложения
П 135 Ограничения электротермической атомизации, вызванные физико-химическими факторами
П 136 Сравнение методов коррекции неселективного поглощения
Выводы к главе
Глава 2 Теоретическое обоснование нового метода измерения селективного поглощения в ААС
П21 Качественное обоснование новой схемы измерения
П23 Теоретическое обоснование метода измерения и устройства для его реализации
П231 Связь угла поворота плоскости поляризации и количества селективно поглощающих атомов
П232 Выбор способа измерения угла наклона плоскости поляризации
П233 Вывод выражений для аналитического сигнала
П24 Рекомендации по практической реализации метода ЗП-ААС
П25 Теоретическое исследование свойств метода ЗП-ААС
П251 Влияние нестабильности интенсивности резонансного излучения на результаты измерений селективного атомного поглощения 74 П252 Влияние паразитного свечения атомизатора на результаты измерении селективного атомного поглощения
П253 Ограничения частоты измерений селективного атомного поглощения
П261 Сравнение оптических схем
П262 Вывод выражения для аналитического сигнала в методе ЗМПС
П262 Исследование формы градуировочного графика
Выводы к главе
Глава 3 Экспериментальная реализация атомно-абсорбционного спектрометра
П31 Функциональная схема атомно-абсорбционного спектрометра
П 321 Формирующая оптическая схема
П322 Поляризационные элементы оптической схемы
П33 Статическая модель поглощающей среды
Глава 4 Экспериментальное исследование аналитических возможностей атомноабсорбционного спектрометра
П41 Экспериментальная проверка качественных результатов
П411 Модуляция интенсивности излучения
П413 Оптимизация количества пластин во втором поляризаторе
П414 Флуктуация интенсивности излучения
П42 Оценка аналитических возможностей метода
П421 Процедура проведения работ
П422 Градуировочные графики
П423 Оценка предела обнаружения
П424 Неселективно поглощающие пробы
П43 Исследование эффекта засветки от электротермического атомизатора
Введение:
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. При этом главным физическим ограничением атомно-адсорбционного анализа является неселективное поглощение света атомами, и именно его коррекции посвящен весь круг исследований в современной атомно-абсорбционной спектроскопии. 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 основании 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 путем 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.
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:
1. Изучить и проанализировать недостатки существующих схем АА-спектрометров.
2. Теоретически обосновать новый метод измерения селективного поглощения.
3 Найти техническое решение для реализации нового метода измерения селективного поглощения и реализовать его в виде экспериментального образца атомно-абсорбционного спектрометра.
4. Показать аналитические возможности предлагаемого метода путем анализа модельных образцов на экспериментальном образце нового АА-спектрометра.
Новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
1. Разработан и реализован в виде действующего экспериментального образца АА-спектрометр, основанный на методе Зеемановской поляризационной атомно-абсорбционной спектрометрии (ЗП-ААС). Метод ЗПААС отличается от традиционных методов ААС тем, что измерение резонансного атомного поглощении производиться по углу поворота плоскости поляризации пучка излучения после прохождения поглощающей среды.
2. Проведена оценка аналитических характеристик разработанного ЗП-АА-спектрометра. Показано, что его аналитические характеристики не уступают традиционным аналогам.
3. 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 принципиальной новый АА-спектрометр, имеющий существенные преимущества над традиционными аналогами. При этом ЗПАА-спектрометр не уступает по аналитическим характеристикам традиционным аналогам и более прост по конструкции. Эти обстоятельства делают ЗПАА-спектрометр весьма перспективным для внедрения в серийное производство.
На защиту выносятся следующие положения:
1. 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.
2. На результаты измерений методом ЗПААС не оказывает влияния нестабильность (дрейф, флуктуации) резонансного излучения, проявляющаяся с частотой, меньшей частоты модуляции. По этой причине для реализации ЗПАА-спектрометра нет необходимости использовать двулучевую схему.
3. Результаты измерения методом ЗПААС 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
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". 8-10 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. C.J1. Мандельштама (г. Москва, март 2010 г), на котором работа была удостоена диплома второй степени.
Основные материалы работы опубликованы в 7 научных работах.
1. Михиовец П.В., Кретинина А.В., Расширение оптического диапазона атомно-абсорбционных спектрометров серии МГА в красную область спектра // "Научное приборостроение", 2009, т. 19, №3, с.67-71
2. Михновец П.В., Евсеев О.В. Способ определения содержания металлов в пробах методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии и устройство для его осуществления Заявка на патент № 2009133181 с приоритетом от 28.08.2009
3. Михновец П.В., Кретинина А.В., Математическая модель формирования аналитического сигнала атомно-абсорбционных спектрометров // Тезисы докладов Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых "Фундаментальная математика и её приложения в естествознании" 1-6 октября 2009 г. Уфа, с. 267.
4. Михновец П.В., Кретинина А.В. Применение метода Мюллера для разработки поляризационного измерительного прибора // Тезисы докладов Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых "Фундаментальная математика и её приложения в естествознании" 1-6 октября 2009 г. Уфа, с. 106.
5. Михиовец П.В., Евсеев О.В., Кретинина А.В. Исследование функции отклика атомно-абсорбционных спектрометров //Сборник трудов Второй международной научно-практическая конференция "Измерения в современном мире-2009". 8-10 декабря 2009 г. Санкт-Петербург, с. 140-141.
6. Михновец П.В., Евсеев О.В., Кретинина А.В. О новом способе измерения селективного поглощения в атомно-абсорбционной спектрометрии // тезисы докладов XXIV Съезда по спектроскопии 28 февраля - 5 марта 2010, Москва с. 202.
7. Михновец П.В., Галлъ Л.Н., Евсеев О.В., Кретинина А.В. Новый метод измерения селективного поглощения в атомно-абсорбционной спектрометрии. // Научное приборостроение, 2010, т.20, №2, с. 120-126.
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.
|
