Книга Индуктивно связанная плазма. Практическое руководство
В последние годы отмечается стремительное развитие последипломного профессионального образования, требующее внедрения более гибких методов обучения для разнообразных групп учащихся. В связи с этим растет актуальность такого эффективного и ценного метода, как открытое обучение, — особенно для тех, кто по тем или иным причинам не может посещать традиционные занятия с полной программой.
Для реализации этого метода издательство John Wiley & Sons, Ltd. в конце 1980-х гг. опубликовало серию книг «Analytical Chemistry by Open Learning», в которой рассматриваются все основные методики анализа. Серия быстро завоевала признание как ценное учебное пособие и стала удобным и гибким
способом обучения для тех людей, которые не могли воспользоваться более традиционными методами.
На волне успеха этих книг, в основном касавшихся аналитической химии, была выпущена также серия работ, посвященных научным аналитическим методикам, — «Analytical Techniques in the Sciences». Цель этой серии — более широкое освещение многочисленных областей науки, где все активнее
применяются различные методы и технологии анализа.
В серию «Analytical Techniques in the Sciences» входит целый ряд книг, где рассматриваются не только сами методики аналитического исследования, но также и те научные дисциплины, которые требуют обязательного их использования. Инструментарий аналитических исследований становится все более высокотехнологичным, в результате соответствующим образом увеличивается и диапазон анализируемых материалов. Книги серии освещают достигнутый прогресс в использовании аналитических приборов и в то же самое время подробно и обстоятельно рассматривают основные принципы и теоретическое обоснование изучаемого аналитического метода. В этих книгах рассматриваются различные методы анализа, в том числе общий инструментальный анализ, спектроскопия, хроматография, электрофорез, тандемные методы спектро-
скопии, электроаналитические методы, рентгенографический анализ и др.
Кроме того, освещается применение методов анализа в таких областях, как энвироника, биологические науки, клинический анализ, криминалистический анализ, наука о продуктах питания, фармацевтика, рациональное природопользование, археология, наука о полимерах и твердых материалах.
Книги написаны специалистами в данных областях, удобны для чтения и консультаций, к каждой главе даются цели обучения и краткое содержание. Читатель может самостоятельно проверить степень усвоения материала, используя вопросы для самопроверки и обсуждения, а также уточняющие и
корректирующие подсказки. Таким образом, эти книги прекрасно подходят и для самостоятельных занятий и для обучения без отрыва от производства. Они содержат большое количество вспомогательного материала, в том числе библиографию, таблицы единиц в системе СИ, глоссарии.
Авторы надеются, что их книги окажутся полезным и ценным источником учебного материала как для студентов, так и для преподавателей.
Дейв Андо
Дартфорд, Великобритания
Предисловие
За последние сорок лет произошла своего рода мини-революция в области методов спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ИСП). В результате этих усовершенствований изначальная методика оптической эмиссионной спектроскопии для анализа следовых количеств веществ стала использоваться и в атомно-эмиссионной спектроскопии и в масс-спектрометрии, что позволило с надлежащей точностью и разбросом результатов обнаруживать элементы с содержанием на уровне ниже одной частицы на миллиард. Физический размер современных инструментов уменьшился, но при этом их аналитические возможности возросли, что отражает значительный прогресс в оптике и технологии производства полупроводников.
В восьми главах предлагаемой вниманию читателей книги освещаются следующие темы: практические аспекты применения спектроскопии с ИСП (от подготовки стандартов для калибровки инструментов до определения наиболее подходящих методов подготовки твердых и водных образцов), методы введения образца в ИСП, выбор между атомно-эмиссионной спектроскопией и масс-спектрометрией (в зависимости от их достоинств и недостатков). Приводится руководство по выбору наиболее эффективного метода записи данных при лабораторных исследованиях. Рассмотрен ряд сфер,
где можно использовать преимущества технологий ИСП.
В первой главе представлена информация об общей методологии анализа следовых количеств веществ. Дается конкретное руководство по записи цифровых данных (в соответствующих единицах) и примеры эффективного представления этих данных в виде таблиц и рисунков. Рассматривается
обработка проб твердых веществ и жидкостей. Приведены примеры расчетов коэффициентов разбавления и их использования при определении исходных концентраций в образцах твердых веществ и жидкостей. Показаны принцип обеспечения качества и роль сертифицированных эталонных ма-
териалов при анализе следовых количеств веществ.
Основное внимание во второй главе уделено методам подготовки конкретных образцов водных проб и проб твердых веществ для анализа следовых количеств металлов и металлоидов. Первая часть главы посвящена методам экстракции ионов металлов из водных проб, особенно жидкостной
экстракции методами ионного обмена и совместного осаждения. Во второй части акцент делается на доступные методы преобразования твердой пробы в соответствующую форму для элементного анализа. Наиболее распространенные методы основаны на кислотном гидролизе матрицы твердого
вещества с использованием микроволновой печи или нагревательных пластин. Подробно рассматриваются способы селективной экстракции частиц металла при анализе грунта с использованием однократной или последовательной экстракции. Описывается роль ферментативного разложения матриц пищи и грунта.
В третьей главе анализируются различные методы введения образцов в ИСП. Хотя наиболее распространено использование универсальной конфигурации «пульверизатор–спрей-камера», выбор конкретного пульверизатора и/или спрей-камеры требует понимания принципа работы и преимуществ каждой схемы. Рассматриваются альтернативные методы дискретного введения образца, в том числе кратко представлен метод электротермического испарения и подробно — метод лазерной абляции и связанные с ним проблемы калибровки. Подчеркивается гибкость поточно-инжекционного метода и/или хроматографии в процессе работы с образцом и возможности введения газообразных форм металлов и металлоидов с помощью образования гидридов и/или низкотемпературного пара.
В четвертой главе описан принцип работы ИСП. Вводится понятие «обзор плазмы», особенно важное в атомно-эмиссионной спектроскопии, где можно использовать плазму с боковым или аксиальным обзором. Для полноты картины рассматриваются и другие источники плазмы, используемой
в атомной спектроскопии, в том числе плазма постоянного тока, тлеющего разряда и индуцированная микроволновым излучением.
Основное внимание в пятой главе уделяется фундаментальным и практическим аспектам атомно-эмиссионной спектроскопии с ИСП (ИСП-АЭС). После начального обзора основ спектроскопии в приложении к атомноэмиссионной спектроскопии, рассматриваются практические аспекты схем
спектрометров и принципов обнаружения. Показано влияние схем спектрометров на возможность определения элементной информации последовательным или синхронным образом. Подчеркиваются достижения в области разработки детекторов, выраженные в усовершенствовании технологий пе-
редачи заряда.
В шестой главе рассматриваются фундаментальные и практические аспекты масс-спектрометрии с ИСП (ИСП-МС). Представлены основные принципы масс-спектрометрии, описаны типы масс-спектрометров и различных детекторов для ИСП-МС. Особое внимание уделено возникновению изобарных и молекулярных помех при ИСП-МС, указаны и некоторые способы решения этих проблем. Выделена тема столкновительных и реакционных ячеек в ИСП-МС. Подчеркивается пригодность ИСП-МС для проведения количественного анализа с использованием метода изотопного разбавления.
Применение технологий ИСП описано в седьмой главе. Приведены примеры из научной литературы, иллюстрирующие актуальность и широту использования технологии ИСП при анализе. Среди наиболее важных сфер ее применения можно назвать криминалистику (анализ документов); промышленный анализ (уголь); анализ материалов (окись гадолиния), окружающей среды (почва) и пищи (молочные продукты); фармакологический анализ.
В заключительной восьмой главе представлены примеры форм для записи данных, которые могут быть использованы при лабораторных исследованиях. Приводятся рекомендации для записи информации о предварительной обработке образца. Предложены также специальные формы для записи подробных данных о подготовке образца и инструментарий для ИСП-АЭС и ИСП-МС. Приведен список литературных источников, в том числе электронных, которые помогут лучше понять технологии ИСП и их применение при анализе следовых количеств веществ.
Джон Р. Дин
Нортумбрийский университет, Ньюкасл, Великобритания
Предисловие к русскому изданию
История развития методов элементного анализа, базирующихся на индуктивно связанной плазме (ИСП), насчитывает уже несколько десятилетий. Первые научные работы по использованию ИСП в эмиссионном анализе относятся к середине 60-х годов прошлого века (Greenfield et al., 1964;
Fassel et al., 1965), а описание аналитического применения комбинации ИСП с масс-спектральным детектированием образовавшихся в плазме ионов (ИСП-МС) было опубликовано многонациональным авторским коллективом в 1980 г. (R. S. Houk, V. A. Fassel, G. D. Flesch, H. J. Svec, A. L. Gray,
C. E. Taylor // Anal. Chem. 1980. Vol. 52. P. 2283). Производители аналитической аппаратуры мгновенно оценили перспективы этих методов, и уже через несколько лет на рынке появились первые коммерчески доступные приборы фирм ELAN™, SCIEX®, Plasma Quard и VG Isotopes Ltd.
По существу, в элементном анализе был сделан революционный скачок в области большинства важнейших характеристик анализа: улучшились пределы обнаружения и границы количественного определения (< нг/г) элементов; появилась возможность многоэлементного анализа; уменьшил-
ся (< 1 мл) объем пробы, необходимый для одновременного определения большого набора аналитов; повысилась точность единичного определения элемента — и все это в сочетании с простотой работы на приборах и высоким уровнем программного и методического обеспечения. И, наконец, новый источник ИСП значительно упростил процедуру определения изотопных отношений в МС, что существенно для многих областей.
Первые приборы ИСП-АЭС и ИСП-МС были весьма габаритны и дороги, но быстрое развитие микроэлектроники и постоянная конкурентная борьба фирм-производителей привели за последние 20–30 лет к значительному совершенствованию конструкций и снижению цен. В настоящее время лучшие приборы ИСП-АЭС и квадрупольные ИСП-МС являются настольными, а их стоимость находится в диапазоне от 70 тыс. долл. (последовательные спектрометры) до 150 тыс. долл. (двойной обзор, матричный детектор) для эмиссионных вариантов и 200–350 тыс. долл. — для квадру-
польных ИСП-МС.
Стремительный прогресс инструментов на базе ИСП привел к взрывному росту продаж приборов. Современные заводские лаборатории в микроэлектронной и атомной промышленности, авиа- и ракетостроении, металлургии и многих других отраслях оснащены ИСП-АЭС и ИСП-МС. Объясняется
это достаточно просто — необходимостью входного и технологического контроля содержания широкого круга элементов на уровне микро- и следовых концентраций. Кроме того, стоимость материала, прошедшего сертификацию по установленным протоколам с использованием эмиссионных и
масс-спектральных ИСП, в разы выше стоимости аналогичного материала, не прошедшего такой сертификации и не имеющего доказанной степени чистоты. Эти приборы также широко используются в аналитическом мониторинге окружающей среды, почв, растений, продуктов питания, сточных вод и т. п.
В крупных зарубежных лечебных учреждениях приборы ИСП-АЭС и ИСП-МС применяются для массовых клинических анализов, на основании которых врачи могут уточнять диагнозы и контролировать процесс лечения.
Как и все инструментальные спектральные методы анализа, оба метода на базе ИСП имеют свои сложности, требующие совершенствования методик анализа. Проблемы и области применения этих методов различны: эмиссионный вариант характеризуется более высокими пределами определения, но более прост конструктивно, а метод ИСП-МС, хотя и является безусловным лидером среди методов элементного анализа по чувствительности, однако сильнее подвержен влиянию состава пробы на результаты анализа (матричным эффектам). В крупных аналитических лабораториях (как правило, аттестованных) используются оба типа приборов. При этом методика работы предполагает первоначальный анализ образца на приборе ИСП-АЭС для определения макро- и микрокомпонентов и последующее планирование методики ИСП-МС-анализа с учетом возможных матричных эффектов от макрокомпонентов, определенных на первом этапе.
Несмотря на то, что в России за последние десятилетия было закуплено несколько сот приборов на базе ИСП, научной и учебной литературы по собственно аналитическому их использованию с обсуждением возможностей и проблем методов практически нет. Можно отметить лишь выпущенную еще в 1990 г. работу Э. Г. Чудинова «Атомно-эмиссионный анализ с индукционной плазмой» (Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер.: Аналитическая химия. 1990. Т. 2), а также книги А. А. Пупышева и соавторов, посвященные обсуждению физических основ самой ИСП и процессов формирования ионных пучков в методе ИСП-МС: А. А. Пупышев, Б. А. Сермягин «Дискриминация ионов по массе при изотопном анализе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой» (Екатеринбург, 2006); А. А. Пупышев, В. Т. Суриков «Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой. Образование ионов» (Екатеринбург, 2006). Кроме того, глава по ИСП-МС присутствует в вышедшей в 2013 г. книге «Масс-спектрометрия для анализа объектов окружающей среды» (пер. с англ. под общ. ред. А. Т. Лебедева. М., 2013).
При имеющемся дефиците русскоязычной учебной литературы данное переводное руководство будет весьма полезно для широкого круга аналитиков, желающих получить начальные сведения о методах на базе ИСП. Оно содержит общие сведения об ИСП, методах ввода проб в плазму и измерениях аналитического сигнала. Кратко изложены методы пробоподготовки перед вводом образца в плазму. Приводятся сведения о спектроскопии, спектральных приборах и детекторах. Описана в общих чертах комбинация методов разделения сложной пробы (в частности, жидкостной и газовой хроматографии) с методами ИСП-АЭС и ИСП-МС. Такие комбинированные методы анализа позволяют определять не только валовый состав элемента, но и его химические формы (вещественный анализ). Обсуждается решение конкретных аналитических задач из различных областей элементного анализа. Подготовленный читатель может самостоятельно выбрать разделы, представляющие для него интерес.
Профессор, зав. лабораторией аналитической спектроскопии
Института спектроскопии РАН
Михаил Александрович Большов
Заказать книгу>>>