Laboratorium Geochemicznej Analizy Elementarnej

1. Pracownia Emisyjnej Spektrometrii Atomowej (AES, Atomic Emission Spectrometry).

Spektrometria atomowa jest metodą analityczną wykorzystującą zależności ilościowe między przejściami elektronowymi w wolnych atomach danego pierwiastka, a oddziaływującą na nie energią promieniowania elektromagnetycznego. Ich wynikiem jest emisja widma złożonego z szeregu fal, których długości są charakterystyczne dla danego pierwiastka, zaś wielkość energii tych fal jest wprost proporcjonalna do zawartości danego pierwiastka, co pozwala na jakościową i ilościową analizę składu pierwiastkowego (elementarnego) badanych próbek. W naszym przypadku przede wszystkim geologicznych, czyli wód, osadów i skał.
W przypadku analizy ilościowej jest to pomiar względny, czyli konieczna jest kalibracja dla każdego pierwiastka zależności między intensywnością emisji, a stężeniem. W tym celu wykorzystujemy próbki wzorcowe o dokładnie znanej zawartości danego pierwiastka. W efekcie ich wzbudzenia uzyskujemy krzywą wzorcową, z której na podstawie wartości intensywności emisji fali charakterystycznej dla danego pierwiastka, określamy jego stężenie w próbce o nieznanym składzie.
W Pracowni AES korzystamy ze spektrometru ICP-OES (ICP Inductively Coupled Plasma = indukcyjnie sprzężona plazma, OES Optical Emission Spectrometry) model Optima 5300 DV (DV Dual View = podwójne widzenie) firmy Perkin-Elmer, wyposażonego w automatyczny podajnik próbek (autosampler) AS 93plus.

foto 1

foto 2

Próbka w postaci roztworu jest przeprowadzana za pomocą rozpylacza w postać aerozolu. Wytworzona mgła składa się z bardzo drobnych kropelek cieczy i jest wprowadzana do plazmy przez strumień gazu nośnego. Gazem wykorzystywanym w spektrometrze jest argon o wysokiej czystości. Plazma generowana jest przed specjalnym palnikiem plazmowym składającym się z trzech, koncentrycznych kwarcowych rurek umieszczonych w cewce indukcyjnej połączonej z generatorem częstości 40 MHz o regulowanej mocy od 750 do 1500 W, umożliwiającym ciągłą, stałą korekcję mocy w zależności od stanu plazmy. Do utworzenia plazmy konieczne są "elektrony zaszczepiające" otrzymywane w wyniku wyładowania iskrowego w przepływającym przez palnik argonie, za pomocą elektrody pomocniczej. Temperatura plazmy wynosząca od 6 000 do 10 000 K zapewnia jednoczesne wzbudzenie pierwiastków tworzących daną próbkę.

foto 3

Spektrometr ten jest wyposażony w:
- system automatycznego zapalania i gaszenia plazmy argonowej,
- termostatowany układ wprowadzania próbki,
- system chłodzenia aparatu w układzie zamkniętym,
- poziomo umieszczony palnik,
- układ optyczny typu Echelle, omywany argonem, co zapewnia stabilność i powtarzalność pomiarów.
- dwa detektory półprzewodnikowe składające się z kilkuset tysięcy elementów foto-czułych każdy, mierzące emisję fal UV i VIS.
- podwójny system obserwacji plazmy: poprzeczny (radialny) i osiowy (wzdłuż osi palnika = axialny). Obserwacja radialna ma wyższą wartość granicy oznaczalności (limit detekcji), zaś axialna niższą o kilka rzędów dla tych samych pierwiastków, co zapewnia skuteczny pomiar pierwiastków o niskich i wysokich stężeniach w ramach jednej metody bez konieczności rozcieńczania (zatężania) danej próbki.
Możliwe jest:
- pełne sterowanie wszystkimi parametrami spektrometru (przepływy gazów, moc generatora, wybór strefy obserwacji plazmy itp.),
- indywidualne, niezależne ustawienia czasu integracji sygnału dla każdej linii anali-tycznej,
- jednoczesny pomiar wybranych linii analitycznych (profilu piku oraz tła po jego obu stronach). Możemy mierzyć bardzo zróżnicowane zawartości różnych pierwiastków jednocześnie.

foto 4

2. Pracownia wstępnego przygotowywania próbek

Pracujący w Laboratorium spektrometr ICP-OES wymaga wstępnego przygotowania próbek stałych do analizy przez ich przeprowadzenie do roztworu. W tym celu konieczne jest rozpuszczenie (wiele soli łatwo rozpuszcza się w wodzie) lub roztworzenie próbek mineralnych. Najczęściej trzeba zastosować roztwarzanie próbek odpowiednio rozdrobnionych mechanicznie w kwasach nieorganicznych, rozcieńczonych lub stężonych, na zimno lub na gorąco, w naczyniach (parownice, tygle, zlewki) wykonanych ze szkła, kwarcu, platyny lub teflonu.
W pracowni możliwe jest roztwarzanie próbek stałych w układzie otwartym.
W przypadku próbek o dużej zawartości substancji organicznych, należy roztwarzanie właściwe poprzedzić mineralizacją, czyli usunięciem (utlenieniem) tych substancji, na sucho (spalanie w powietrzu) albo na mokro (działanie odpowiednich utleniaczy chemicznych).
Mineralizację na sucho przeprowadza się w tyglu porcelanowym lub platynowym podnosząc stopniowo temperaturę w piecu od 100°C, kiedy pozbywamy się zawartej w próbce wody, do 550 - 600°C w celu całkowitego spalenia się węgla (bez płomienia). Natomiast do mineralizacji na mokro stosuje się utleniacze chemiczne: nadtlenek wodoru, kwasy nieorganiczne lub ich mieszaniny.
Końcowym etapem przygotowywania jest filtracja roztwarzanej próbki umożliwiająca precyzyjne oddzielenie nierozpuszczonej pozostałości od roztworu. Roztwór końcowy powinien mieć określoną dokładnie objętość.