Методические рекомендации по спектральному определению тяжелых металлов в биологических материалах и объектах окружающей среды

АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКИХ НАУК СССР ПРОБЛЕМНАЯ КОМИССИЯ СОЮЗНОГО ЗНАЧЕНИЯ «НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГИГИЕНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ» НИИ ОБЩЕЙ И КОММУНАЛЬНОЙ ГИГИЕНЫ им. А. Н. СЫСИНА АМН СССР НИИ КРАЕВОЙ ПАТОЛОГИИ МИНЗДРАВА КАЗССР

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СПЕКТРАЛЬНОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ И ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Москва 1986

«УТВЕРЖДАЮ» Председатель проблемной комиссии союзного значения «Научные основы гигиены окружающей среды», академик АМН СССР

Г. И. Сидоренко 20 марта 1986 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СПЕКТРАЛЬНОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ И ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Москва 1986

билизируется низкое напряжение, повышаемое до требуемой величины с помощью преобразователя напряжения.

Для усиления сигналов постоянного напряжения могут использоваться выпускаемые промышленностью усилители постоянного напряжения или разработанный в КазГУ измерительный усилитель на операционных усилителях типа К.551УД1Б, максимальный коэффициент усиления равен 2,5-10⁵.

При использовании прибора в эмиссионном режиме мерой концентрации элемента служит интенсивность спектральной линии, возбуждаемой в плазменном источнике света. При работе прибора в режиме абсорбции мерой концентрации элемента служит величина ослабления сигнала источника резонансного излучения при введении пробы в атомизатор.

1.4. Прибор для беспламенного атомно-абсорбционного определения ртути

Для определения ртути беспламенным атомно-абсорбционным методом могут применяться выпускаемые отечественной промышленностью и зарубежными фирмами фотометры. При их отсутствии могут быть изготовлены лабораторные установки. Например, в нашей лаборатории разработан простой атомно-абсорбционный фотометр с получением свободных атомов ртути из твердых, жидких и газообразных проб с помощью химического (метод «холодного пара») и термического восстановления. Определение двухстадийное. Первая стадия состоит в разрушении исходных соединений ртути тем или иным способом и пропускании ее паров над поверхностью благородного металла; ртуть при этом сорбируется, образуя амальгаму, и отделяется от сопутствующих компонентов пробы. Вторая стадия состоит в термическом разрушении амальгамы, введении атомного пара ртути в детектор атомно-абсорбционного фотометра и измерении ее концентрации.

Устройство фотометра показано на рис. 1.3. Для химического восстановления ртути определенный объем минерали-зата помещают в пробирку 14, приливают восстановитель и с помощью специальной пробки включают пробирку в газовоздушный тракт фотометра. Восстановленные пары ртути через кран 4 и осушитель 5 (трубка, заполненная молселектом Г-25) проходят через сорбент 6 (нихромовая проволока диаметром 0,23 мм, свитая в спираль диаметром 3,5 мм, длиной 260 мм, на которую навита золотая проволока диаметром 70 мкм), краном 7 отключенный от детектора ртути, и сорби-

Ю

руется золотом, образуя амальгаму. Затем краном 7 подключают сорбент к детектору, нагревают его электрическим током до температуры 900°С и выделившиеся пары ртути прокачивают аспиратором 13 через оптическую кювету 8 с определенной скоростью, измеряемую ротаметром 10. Мерой концентрации ртути является величина уменьшения интенсивности спектральной линии ртути 253,7 нм, излучаемой ртутной лампой 15, которая измеряется с помощью фотоэлементов 17 и 18, установленных в каналах измерения и сравнения, включенных по мостовой схеме. Сигнал с диагонали моста усиливается с помощью микросхемы К.284СС2А и регистрируется цифровым вольтметром Ф214. Благодаря широкому динамическому диапазону вольтметра балансировка каналов измерения и сравнения не требуется.

Термическое получение свободных атомов ртути осуществляется с помощью электрически обогреваемых печей термовосстановления 1 (кварцевая трубка диаметром 25 мм и длиной 110 мм) и дожига легколетучих соединений ртути 2 (кварцевая трубка диаметром 25 мм и длиной 150 мм), соединенных кварцевой трубкой диаметром 7 мм, обогреваемой электрическим нагревателем. Твердый образец определенной массы или жидкую пробу известного объема помещают в керамическую, фарфоровую или кварцевую лодочку, вводят в прогретую до необходимой по методике температуры печь термовозгонки (максимальная температура нагрева 800°С). Образец сжигают или испаряют, продукты сжигания пропускают через сосуд 3, заполненный дистиллированной водой, кран 4, установленный в нужное положение, осушитель 5 и кювету с золотым сорбентом б, отключенную краном 7 от атомно-абсорбционного детектора и соединенную с аспиратором 13 краном 9. Вторая стадия анализа — термическое разрушение амальгамы и измерение концентрации ртути — проходит так же, как и при химическом способе получения свободных атомов ртути.

2. МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ПРОБ В ГЕРМЕТИЧНОМ РЕАКТОРЕ*

2.1. Общие положения

Основные требования к минерализации материала, устраняющие систематические ошибки анализа, состоят в следующем: любой материал должен быть озолен полностью; остат-

* Методические рекомендации составлены М. Т. Дмитриевым, Э. И. Грановским, Л. И. Зайцевой, Т. Н. Чеплиевой.

ки после озоления необходимо растворить, минимальными количествами легкоочищаемых растворов; минерализацию проб следует проводить минимальным числом реактивов; необходимо добиваться максимального снижения количества веществ, попадающих в пробу в процессе озоления; материал сосуда для разложения должен быть по возможности более инертным; продолжительность контакта и поверхность контакта между озоленным образцом и стенками сосуда следует максимально ограничить; необходимо по возможности снизить температуру и продолжительность минерализации, обеспечить полный переход элементов, в том числе и легколетучих, из пробы в растворенное состояние.

Наиболее распространенные методы минерализации проб — сухое озоленис в муфельных печах и мокрое озоление в открытых сосудах — не в полной мере удовлетворяют перечисленным требованиям. В частности, возможны потери лег-колетучих элементов, велика продолжительность минерализации, не все объекты удается озолить полностью, возможно загрязнение проб в ходе озоления и т. п.

В наибольшей степени сформулированным выше требованиям к минерализации биологического материала удовлетворяет озоление проб в герметичных сосудах. При температуре 150—200°С давление в сосуде повышается в зависимости от состава проб и используемых реагентов до 10—15 атм и выше. При таких параметрах температуры и давления использование сильных окислителей позволяет провести озоление большинства типов биологических проб за 45—60 минут. К числу других преимуществ метода минерализации образцов в герметичных реакторах относится то, что во время минерализации постоянный контроль за процессом озоления со стороны аналитического персонала не требуется.

Для повышения точности результатов анализа необходимо проводить 2—3 параллельных озоления одной пробы. Поэтому на минерализацию каждой пробы требуется 2—3 герметичных реактора.

Во время проведения анализа необходимо исследовать применяемые реактивы на присутствие в них измеряемых элементов. С этой целью готовят «холостую пробу», для чего вместо исследуемой пробы берут равный объем дистиллированной воды, а реактивы добавляют в тех же количествах и из тех же флаконов, что и в исследуемые пробы (при анализе крови вносят также и гепарин). Условия минерализации — те же, что и для изучаемых проб. Величину сигнала «холостой

пробы» необходимо учитывать при расчетах результатов анализа.

В полученных минерализатах содержание металлов может быть измерено спектрохимическими (атомно-абсорбционными, атомно-эмиссионными и атомно-флуоресцентными) или другими соответствующими физико-химическими методами.

Если нижний предел определяемых содержаний применяемого метода анализа искомого элемента не позволяет провести анализ минерализата прямым путем, необходимо произвести концентрирование металла из полученного минерализата. Проще всего этого достигают, объединяя несколько минерали-загов, полученных при параллельных разложениях одной пробы, в одном сосуде и упаривая их до меньшего объема при «мягких» условиях (плитка с закрытой спиралью при минимальном положении регулятора нагрева). Возможно применение и других методов концентрирования металлов (экстракция, ионный обмен и др.).

2.2. Применяемые оборудование и посуда

Весы аналитические.

Весы торсионные.

Сушильный шкаф с регулируемой температурой с точностью ±(5—10) °С.

Вытяжной шкаф.

Вентилятор бытовой.

Штатив для пробирок.

Скальпель.

Пинцет анатомический.

Пресс или молоток для измельчения твердых тканей.

Выпарительные чашки фарфоровые.

Пестик для перетирания высушенного материала.

Стаканы химические емкостью 50—200 мл.

Пробирки градуированные, мерные (ГОСТ 1770-74).

Пипетки на 2, 5 и 10 мл (ГОСТ 1770-74).

Воронки стеклянные.

Стекло для измельчения мягких тканей.

Стеклянные пенициллиновые флаконы с полиэтиленовыми пробками.

Стеклянные палочки.

Бумага фильтровальная с красной лентой.

Калька.

Пленка полиэтиленовая.

Бинт медицинский или марля.

Азотная кислота, концентрированная, ХЧ (ГОСТ 4461-77).

Азотная кислота 5% (56,7 мл концентрированной азотной кислоты доводят до 1000 мл дистиллированной водой).

Перекись водорода, концентрированная, 30% (ГОСТ 10929-76).

Вода дистиллированная.

Кислота соляная, концентрированная, ХЧ (ГОСТ 3118-77).

Гепарин (5000 М.Е. в 1 мл).

2.4. Подготовка материала к минерализации

2.4.1. Кровь

В цельную кровь для предотвращения свертывания в момент отбора добавляют гепарин. Гепарин вносят во флаконы из расчета 0,1 мл на 5 мл крови, закрывают, взбалтывают и хранят в холодильнике не более 7—10 дней.

Срок хранения крови значительно возрастает, если ее высушить. Для этого взвешивают на аналитических весах выпарительную фарфоровую чашку (P_t, г), помещают в нее цельную кровь и вновь взвешивают (Р₂, г). По разнице масс Р₂ и ?! находят массу крови (Р₃, г). Затем ставят чашку с кровью в сушильный шкаф с температурой 105°С. Высушивание ведут до постоянного веса. Остывшую чашку с сухим остатком крови взвешивают на аналитических весах (Р₄, г) и по разности Р₄ и Pi находят массу сухого остатка крови (Ps, г). Для пересчета результатов анализа на массу исходной цельной крови необходимо знать коэффициент высушивания, который находят по формуле К„ = Р₅/Рз.

Сухой остаток крови, измельченный в фарфоровой ступке, хранят в пакете из кальки при комнатной температуре.

2.4.2. Печень, почки, сердце, легкие, мозг, мышцы, надпочечники и пищевые продукты животного происхождения

Поступивший на анализ биологический материал хранят в морозильной камере холодильника. В день минерализации объект измельчают скальпелем (методом соскоба) на стеклянной пластинке, затем тщательно перемешивают. Если предполагается длительное хранение материала, его высушивают. Для этого ткани измельчают, помещают во взвешенную

фарфоровую выпарительную чашку (Р_ь г) и взвешивают на аналитических весах (Р₂, г). Определяют массу материала Рз=р2—Pi (г). Чашку ставят в сушильный шкаф с температурой 105°С и высушивают материал до постоянного веса. После остывания чашки ее опять взвешивают (Р₄, г) и определяют массу сухого остатка Р₅=Р₄—Р, (г). Коэффициент высушивания находят по формуле К_в = Рб/Рз и используют при пересчете результатов анализа, на исходный материал.

Высушенный материал измельчают в фарфоровой ступке до порошкообразного состояния и хранят в пакете из кальки.

2.4.3. Костная и зубная ткань

Костную и зубную ткань освобождают от мышечной ткани скальпелем, помешают в стакан, заливают дистиллированной водой и оставляют на ночь. Тщательно промывают в проточной воде и трижды ополаскивают дистиллированной водой. Остатки воды удаляют высушиванием при комнатной температуре либо в стакане, либо на фильтровальной бумаге. Просушенные пробы дробят с помощью пресса с замкнутой полостью или измельчают следующим образом: в вдвое сложенную полиэтиленовую пленку заворачивают образец и молотком дробят на небольшие кусочки (массой 100—200 мг). Хранят измельченные ткани в пакетах из кальки.

2.4.4. Волосы (шерсть) и ногти (когти)

Волосы (шерсть) или ногти (когти) помещают в стеклянные стаканчики емкостью 50 мл и заливают 0,1% соляной кислотой (1 мл концентрированной кислоты на 350 мл дистиллированной воды) на 15—20 минут: Затем образцы тщательно промывают проточной водой, механическим способом удаляют грязь с ногтей (когтей), лак с ногтей удаляют ацетоном, вновь промывают проточной водой и трижды ополаскивают дистиллированной водой. Для просушивания материала его раскладывают на фильтровальной бумаге, накрывают сверху марлей и оставляют при комнатной температуре на ночь. Хранят материал в пакетах из кальки.

2.4.5. Желудочный сок, дуоденальная жидкость, моча

Марлю или бинт складывают вдвое, помещают в стеклянную воронку и фильтруют через них желудочный сок для удаления из него остатков пищи.

Поступившие на анализ биологические жидкости хранят в стеклянной посуде в холодильнике. Для предотвращения сорбции ртути и других металлов стенками посуды в пробу добавляют концентрированную азотную кислоту из расчета 1 мл на 50 мл отобранного материала.

2.4.6. Продукты питания растительного происхождения

Овощи отмывают от следов почвы в проточной воде и трижды ополаскивают дистиллированной водой. Хранят продукты (картофель, свекла, капуста, лук, редька, баклажаны, морковь и т. п.) в холодильнике не более 10—15 суток в полиэтиленовых пакетах. В день минерализации овощи измельчают скальпелем на стеклянной пластинке на мелкие кусочки размером не более 0,5 см.

Если же предполагается длительное хранение материала до минерализации, то его высушивают. Для этого измельченный материал раскладывают на фильтровальной бумаге, покрывают марлей и высушивают при комнатной температуре до полного обезвоживания. Можно сушить материал в сушильном шкафу при температуре 105°С.

Высушенный материал хранят в пакетах из кальки. Коэффициент высушивания используют для пересчета результатов анализа на сырой материал по формуле K„=P2/Pt, где Р₂ — масса сухого остатка пробы, г; Р! — масса исходной пробы, взятой для высушивания, г.

2.4.7. Почва и донные отложения

Пробы помещают на бумагу и высушивают до воздушносухого состояния, перетирают в фарфоровой ступке и просеивают через почвенные сита с размером отверстий 1—2 мм. Непросеянные комки вновь растирают и просеивают. Из измельченной пробы методом квартования отбирают среднюю пробу массой 200—300 г, которую растирают в ступке и просеивают через капроновое сито с размером ячеек 0,25 мм, из нее отбирают 10—20 г пробы. Эту пробу окончательно растирают в агатовой (яшмовой) ступке до состояния пудры, просеивают через капроновое сито с размером ячеек 200 меш и помещают в пакеты из кальки.

2.5.1. Минерализация цельной крови и плазмы

Гепаринизированную цельную кровь или плазму тщательно перемешивают стеклянной палочкой или встряхиванием. Пипеткой отбирают 2 мл перемешанного материала и вносят пробу в сосуд из фторопласта реактора для минерализации. Другой пипеткой добавляют в сосуд 2 мл концентрированной азотной кислоты, сосуд взбалтывают и оставляют на 10— 15 минут. Затем чистой пипеткой вносят 1 мл перекиси водорода. Сосуд закрывают фторопластовой крышкой, помещают вкладыш в металлический стакан, предварительно положив на его дно стальной диск, сверху накладывают на сосуд фасонную крышку и навинчивают на стакан накидную гайку. Фиксируют дно стакана и с помощью специального ключа завинчивают крышку до упора, герметизируя сосуд.

Подготовленные сосуды помещают в прогретый до 160— 170°С сушильный шкаф. По истечении 60 минут сушильный шкаф выключают, реакторы извлекают, устанавливают перед вентилятором и охлаждают потоком воздуха.

После охлаждения реактора фиксируют его дно и тем же ключом отвинчивают крышку, извлекают вкладыш, выталкивая его стеклянной палочкой или пинцетом через отверстие в дне металлического стакана.

Поддев фторопластовую крышку скальпелем, снимают ее и обмывают над сосудом-вкладышем 2—3 каплями дистиллированной воды, содержимое вкладыша переносят через воронку в градуированную мерную пробирку, установленную в штатив. Внутреннюю поверхность сосуда обмывают 2—3 раза небольшим количеством (1—2 мл) дистиллированной воды, смывные воды объединяют с минерализатом. Конечный объем минерализата измеряют и записывают для количественных расчетов.

Освободившиеся фторопластовые вкладыши ополаскивают проточной водой и моют теми же растворами, что и стеклянную лабораторную посуду. Если же на внутренней поверхности сосуда имеется налет, который не удаляется механическим способом, то есть при мытье ершом, тряпкой и т. п. (соскабливание налета металлическими предметами запрещается!), то его помещают в хромовую смесь на 1—2 часа и более, затем вынимают, ополаскивают проточной водой и при необходимости подвергают повторной механической обработке, хорошо промывают, 2—3 раза ополаскивают дистиллированной водой и сушат.

Для хранения минерализат из пробирки переносят в пенициллиновый флакон, переливая пробу 3—4 раза из пробирки во флакон и обратно, перемешивая его таким образом для достижения однородности. Флаконы закрывают полиэтиленовыми пробками или полиэтиленовой пленкой, закрепляя ее надетым поверх резиновым кольцом.

Использование резиновых пробок не рекомендуется, а при определении цинка категорически запрещается ввиду наличия его в резиновых изделиях.

При невозможности немедленного анализа минерализат хранят в холодильнике. Предельный срок хранения минера-лизата — 1 год. При данных условиях хранения (сильно кислая среда и низкая температура) не наблюдается сорбции элементов стенками флакона и десорбции их из стекла, за исключением ртути.

Минерализацию высушенной цельной крови ведут в герметичных реакторах по следующей методике. Для исследования берут не более 500 мг материала (навеску можно брать либо на аналитических, либо на торсионных весах), добавляют к нему 1 мл дистиллированной воды для смачивания и приливают 5 мл концентрированной азотной кислоты, а затем 1 мл перекиси водорода (30%). Минерализацию ведут в сушильном шкафу при температуре 190—200°С в течение 60 минут.

Последующие операции ведут аналогично тому, как описано выше.

2.5.2. Минерализация эритроцитов

Оттаявшую после извлечения из холодильника эритроцит-ную массу тщательно перемешивают стеклянной палочкой. На часовое стекло известной массы помещают эритроцитную массу (1—2 г), взвешивают на аналитических весах (Рь г), переносят з тефлоновый сосуд, стекло с остатком образца вновь взвешивают (Р₂, г). По разности Р)—Р₂ (г) находят точную навеску пробы, взятую на анализ, что необходимо знать для количественных расчетов.

Минерализацию проводят так же, как описано для цельной гепаринизированной крови или плазмы в разделе 2.5.1.

2.5.3. Минерализация мягких тканей животных и человека

Навеску (около 1 г) измельченных сырых тканей (печени, почек, сердца, легких, мозга, надпочечников, мышц) берут на аналитических весах, как описано в разделе 2.5.2. К навеске ткани во фторопластовый сосуд добавляют 3 мл концентрированной азотной кислоты, а затем 1 мл 30% перекиси водоро-

да. Сосуд герметизируют. Минерализацию проводят в прогретом до температуры 170—190°С сушильном шкафу в течение 60 минут. Минерализат переносят из тефлонового сосуда в мерную градуированную пробирку, а затем в пенициллиновый флакон, как описано в разделе 2.5.1.

Высушенные ткани внутренних органов или мышц минерализуют так же, как и высушенную цельную кровь, то есть величина навески, добавляемые реактивы и их количества, температура сушильного шкафа и время минерализации — те же, что описаны в разделе 2.5.1.

2.5.4. Минерализация костной и зубной тканей

Навеску твердых тканей (200—300 мг) удобнее брать на торсионных весах (при их отсутствии можно пользоваться и аналитическими весами). Для этого кусочек ткани помещают на чашечку торсионных весов и записывают точную массу образца. Навеску переносят во фторопластовый сосуд реактора, добавляют 2 мл концентрированной азотной кислоты и 1 мл 30% перекиси водорода. Минерализацию проводят при температуре 160—180°С в течение 60 минут.

2.5.5. Минерализация волос (шерсти) и ногтей (когтей)

Навеску материала (100—300 мг) берут на торсионных или аналитических весах, переносят в сосуд, добавляют 2 мл концентрированной азотной кислоты, 1 мл 30% перекиси водорода и проводят минерализацию при температуре 160— 180°С в течение 50 минут.

2.5.6. Минерализация желудочного сока, дуоденальной жидкости и мочи

2 мл исследуемого материала пинеткой вносят во фторопластовый сосуд, добавляют по 1 мл концентрированной азотной кислоты и перекиси водорода, герметизируют реактор и помещают его в сушильный шкаф с температурой 160—180°С на 45 минут.

2.5.7. Минерализация продуктов питания растительного происхождения

При минерализации сырого материала поступают следующим образом. Измельченный материал массой около 1 г помещают на часовое стекло, взвешивают на аналитических ве-

В методических рекомендациях описаны спектральные методы (эмиссионные с использованием дугового плазматрона, атомно-абсорбционные с атомизацией проб в пламени пропан-бутан-воздух и беспламенные) определения ртути, кадмия, свинца, железа, меди, марганца, кобальта и цинка в биологических тканях и жидкостях человека и животных, растительном материале и объектах окружающей среды — воздухе, воде и почве, а также соответствующие способы подготовки проб к анализу.

Методические рекомендации предназначены для работников научно-исследовательских организаций, лабораторий санитарно-эпидемиологических станции, санитарно-химических, клинических и других лабораторий, занимающихся определением металлов и микроэлементов в биологических материалах и объектах окружающей среды.

Методические рекомендации разработаны д.х.н., профессором М. Т. Дмитриевым (Ордена Трудового Красного Знамени Институт общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР) и к.ф.-м.н., старшим научным сотрудником Э. И. Грановским (Научно-исследовательский институт краевой патологии Министерства здравоохранения КазССР).

сах, переносят во фторопластовый сосуд, вновь взвешивают стекло с остатками пробы и определяют точную массу пробы. К пробе во фторопластовый сосуд прибавляют 3 мл концен-тированной азотной кислоты, сосуд герметизируют и помещают реактор в сушильный шкаф с температурой 160—180°С на 60 минут.

Сухой растительный материал массой около 500 мг взвешивают на торсионных весах, переносят во фторопластовый сосуд, смачивают 1 мл дистиллированной воды и добавляют 4 мл концентрированной азотной кислоты, герметизируют сосуд и ставят реактор в сушильный шкаф с температурой 170—190°С на 60 минут.

2.5.8. Минерализация почвы и донных отложений

Навеску почвы или донных отложений массой 500 мг помещают во фторопластовый сосуд, смачивают несколькими каплями дистиллированной воды, добавляют 3 мл концентрированной (или разбавленной 2:1) азотной кислоты, герметизируют сосуды и помещают их в прогретый до 200°С сушильный шкаф на 1 час. После охлаждения сосудов содержимое вкладыша фильтруют в мерную посуду, обмывают вкладыш дистиллированной водой и фильтруют в ту же посуду. Фильтрат доводят дистиллированной водой до метки и записывают полученный объем.

2.6. Техника безопасности

Подготовку материала и минерализацию проб необходимо проводить в хорошо освещенном помещении, оснащенном об-шеобменной и местной приточно-вытяжной вентиляцией.

Необходимо использовать для работы специальные химические столы или другие столы, оснащенные бортами.

Работу необходимо проводить в спецодежде (халат, перчатки резиновые, фартук полиэтиленовый).

Подготовку материала можно проводить в общем лабораторном помещении, а минерализацию проб — в отдельной, изолированной комнате.

Для минерализации нельзя пользоваться неисправными, проржавевшими, плохо завинчивающимися герметичными реакторами.

С момента установки реакторов в сушильный шкаф до окончания озоления проб входить и находиться в комнате для

Наиболее перспективны при анализе металлов современные инструментальные физико-химические методы анализа — колориметрические, спектрофотометрические, полярографические, спектроскопические, нейтронно-активационные и др. Каждый из этих методов характеризуется набором параметров: чувствительностью, точностью, продолжительностью, селективностью анализа, стоимостью используемого оборудования и его доступностью, безопасностью условий труда для персонала аналитических лабораторий, числом одновременно определяемых элементов, возможностью широкого практического использования методов.

Сравнение различных методов анализа по одному из этих параметров — пределу обнаружения — показывает, что спектроскопические методы для большинства металлов обеспечивают лучшую чувствительность по сравнению с колориметрическими и полярографическими (исключение составляют молибден, мышьяк и никель) и уступают нейтронно-активационному методу при использовании большого потока нейтронов на анализируемую пробу только для таких элементов, как алюминий, марганец, медь, мышьяк, олово. В целом же, при учете всех перечисленных выше характеристик метода, спектроскопические методы превосходят остальные при анализе металлов.

Так, спектрофотометрические и колориметрические методы обычно не позволяют проводить анализ в пробе более одного элемента; состав проб часто сильно сказывается на результатах определения, в связи с чем приходится проводить отделение элементов, их маскировку и т. д., что усложняет ход анализа и снижает его экспрессность. Полярографический метод значительно уступает спектрографическим по числу определяемых с требуемой точностью и чувствительностью элементов. Нейтронно-активационный метод не может быть приме-

йен в рядовых химических лабораториях, кроме того он недостаточно экспрессе», требует сложного оборудования.

Спектрохимические методы анализа — эмиссионный с использованием электрической дуги или дуговой и индуктивно-связанной плазмы, пламенная фотометрия, атомно-абсорбционный и атомно-флуоресцентный — универсальны, что связано с прямым использованием фундаментальных свойств элементов — их спектральных характеристик. По виду спектра можно качественно идентифицировать химические частицы, а при выбранных частотах — определить количество присутствующих в пробе химических элементов.

Преимущества спектрохимических методов, сочетающих переведение проб в раствор и спектральное измерение в них металлов, обеспечиваются высокой однородностью анализируемого материала, возможностью концентрировать определяемые элементы и отделять их от мешающих, быстро и точно разбавлять растворы, простотой приготовления эталонов необходимого состава и введения буферных растворов и внутренних стандартов, непрерывностью подачи проб в источник света.

В методических рекомендациях описаны устройство для минерализации проб и приборы, используемые для спектрохимического измерения содержания металлов в минерализа-тах, особенности минерализации проб в герметичном реакторе и методы анализа ртути, кадмия, свинца, железа, меди, марганца, кобальта и цинка в объектах окружающей среды и биологических материалах.

1. УСТРОЙСТВА И ПРИБОРЫ ДЛЯ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ПРОБ И СПЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАЛЛОВ В МИНЕРАЛИЗАТАХ

1.1. Устройство и работа герметичного реактора для минерализации проб

Реактор для минерализации (рис. 1.1) состоит из фторопластового сосуда с крышкой, который помещается в металлический цилиндр, изготовленный из высококачественной стали.

Основные детали реактора — фторопластовый сосуд-вкладыш и металлический стакан. Сосуд изготавливают из фторопласта-4 (тефлон, ГОСТ 10007-80). Он представляет из себя цилиндр с расширенной верхней частью. Внутренний диаметр цилиндра — 22,7 мм, наружный — 31,0 мм. Диаметр верхней части вкладыша равен 45,0 мм, общая высота вкладыша — 73,0 мм. Объем сосуда, в который помещается анализируемая проба и реактивы для ее окисления, составляет 25 мл. Сверху вкладыш закрывается крышкой из фторопласта-4.

Цилиндрический стакан с внутренним диаметром 31,0 мм, наружным — 52,0 мм, высотой — 87,0 мм изготавливается из нержавеющей стали Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72). Наружная поверхность стакана сделана ребристой для увеличения скорости нагрева и остывания реактора.

Сверху на стакан навинчивается накидная гайка с сетчатой накаткой, имеющая наружный диаметр 79,0 мм, внутренний — 52,0 мм и высоту — 27,0 мм. Гайка изготовлена из стали той же марки, что и стакан. На верхней поверхности гайки имеется 4 углубления для фиксации ключа, с помощью которого производится затягивание гайки на корпусе стакана. Между фторопластовой крышкой и накидной гайкой помещается стальная фасонная крышка высотой 15,5 мм и диаметром 45,0 мм. Снизу между сосудом из фторопласта и стальным стаканом помещается стальной диск диаметром 31,0 мм и толщиной 3,0 мм.

Герметизация реактора достигается путем навинчивания Hat стакан накидной гайки, стягивания и прижимания фторопластовой крышки к сосуду из фторопласта.

Следует отметить, что сосуд для минерализации может быть изготовлен не только из фторопласта. Основное требование к материалу сосуда состоит в том, что он должен быть инертен по отношению к нагретым агрессивным растворам, которые используются для минерализации, не менял бы механические свойства при нагреве до 150—250°С, не сорбировал бы определяемые элементы и не выделял в пробу загрязнений (так, в частности, фторопласт не может использоваться при определении в пробе фтора).

Требованию инертности материала в наибольшей степени удовлетворяют кварц, фторопласт, стеклоуглерод и благородные металлы. Наиболее удобны — фторопласт и стеклоуглерод. При этом стеклоуглерод даже превосходит фторопласт по инертности, устойчивости к воздействию высоких температур (выдерживает нагрев вплоть до 250°С), в большей мере препятствует диффузии сквозь сосуд легколетучих элементов. С другой стороны, фторопласт имеет преимущества в обработке и более доступен.

Форма и размеры сосуда для минерализации и наружного металлического стакана могут отличаться от описанных выше. Здесь главное требование состоит в том, что они должны обеспечить высокую механическую прочность и герметичность системы при высоких давлениях, развивающихся при минерализации во внутреннем объеме сосуда за счет выделения окислов азота и других газообразных продуктов деструкции биологического материала.

Устройство для минерализации работает следующим образом. Подготовленную для озоления пробу взвешивают и вносят в сосуд из фторопласта, добавляют необходимые реактивы, закрывают фторопластовой крышкой, помещают вкладыш в металлический сосуд, предварительно положив на его дно стальной диск, сверху накладывают на сосуд фасонную крышку и навинчивают на стакан накидную гайку. Фиксируют дно стакана и с помощью специального ключа, имеющего четыре выступа, завинчивают крышку до упора, вводя выступы ключа в отверстия на крышке. Подготовленные сосуды помещают в нагретый до требуемой температуры сушильный шкаф и оставляют на время, обусловленное методикой минерализации. Присутствие персонала во время минерализации не требуется. Открывать реакторы можно только после полного их остывания во избежание разбрызгивания минерализата.

После охлаждения реактора фиксируют его дно, тем же ключом, которым пользовались при завинчивании крышки,

отвинчивают ее, извлекают вкладыш, выталкивая его стеклянной палочкой или пинцетом через отверстие в дне металлического стакана.

1.2. Устройство слаботочного стабилизированного дугового плазматрона и его работа

Схема дугового трехэлектродного плазматрона приведена на рис. 1.2. Формирование плазменной струи, используемой для измерения концентрации определяемых металлов, начинается в цилиндрической камере горения 1, изготовленной из изолирующего материала и защищенной кварцевым кольцом 2, отделяющей анод 3 от сопла 4. Анод и сопло охлаждаются благодаря контактам с латунными охладителями 5 и 6, по которым циркулирует проточная вода. Основанием камеры горения является решетка 7 с гнездом для крепления держателя анода, в которой просверлены отверстия для прохождения охлаждающего дугу инертного рабочего газа и аэрозоля анализируемого раствора. Решетка поджимается снизу газоподво-дяшим конусом 8. Источник герметизируется путем стягивания охладителей и камеры горения с основанием 9 при помощи болтов 10. Катод 11 закреплен отдельно и может перемещаться относительно сопла.

Перед включением источника в охладители подают воду. Через отверстие в верхнем охладителе при вывинченном сопле в гнезде решетки укрепляют держатель анода со вставленным в него угольным электродом диаметром 6 мм. Затем ввинчивают сопло и центрируют вольфрамовый катод относительно оси плазматрона. Расстояние между ним и верхним срезом сопла должно быть равно 5—7 мм.

На баллоне с аргоном открывают вентиль, с помощью редуктора устанавливают давление в газовом тракте 2—3 атм, вентилем понижают это давление до 1,7—2,0 атм. Давление измеряют манометром, расход газа — расходомером РС-3. Охлаждающий и плазмообразующий аргон поступает в распылитель раствора, проходит через сепаратор крупных капель аэрозоля, а затем через газоиодводящий конус и отверстия в решетке попадает в камеру горения плазматрона и через сопло выходит в атмосферу за пределами источника.

Осуществляют пробой межэлектродного промежутка с помощью дугового генератора и включают источник постоянного тока. Силу тока дуги меняют с помощью реостата в пределах 10—40 А. Получив плазменную струю, в нее вводят иссле-

дуемый раствор с помощью пневматического или ультразвукового распылителя, выход которых соединяется с входом газоподводящего конуса.

1.3. Прибор для количественного измерения содержания

токсичных металлов и микроэлементов в минерализатах

Для количественного определения содержания в минерализатах токсичных металлов и микроэлементов могут использоваться спектрофотометры промышленного изготовления отечественных и зарубежных фирм. В случае их отсутствия можно пользоваться лабораторными установками, построенными на основе монохроматоров с хорошей светосилой и разрешающей способностью в ультрафиолетовой и видимой области спектра, приспособлений для фотоэлектрической регистрации излучения плазматрона или поглощения света источника резонансного излучения того или иного элемента его атомным паром.

В частности, для этих целей может использоваться монохроматор прибора СФ-4А. Держатель кварцевой линзы с фокусным расстоянием 75 мм диаметром 20 мм и держатель горелки-атомизатора крепятся на массивной стальной плите толщиной 6 мм, имеющей длину 555 мм и ширину 345 мм. Перпендикулярно к основанию к краю плиты приварена боковина размером 200X100 мм, в которой просверлены отверстия, через которые пропущены болты, жестко крепящие плиту к корпусу монохроматора спектрофотометра СФ-4А. К основанию плиты с помощью винтов крепится П-образный кожух, закрывающийся сверху съемной крышкой с отверстием диаметром 150 мм для выхода продуктов сгорания пламени. В передней части кожуха выфрезировано отверстие высотой 210 мм и шириной 100 мм для регулировки атомизатора. На передней стенке кожуха закреплены панель ПДУ-АХЛ4 для регулировки расхода воздуха и ротаметр РМ-0,6 для регулировки расхода горючего газа. С противоположной стороны кожуха укреплены два ниппеля для подачи в прибор сжатого воздуха и горючего газа.

Лампа с полым катодом помещается на оптической оси монохроматора в специальную обойму, позволяющую проводить точную юстировку источника света, которая крепится к плите с помощью трех штырей высотой 235 мм и диаметром 12 мм. Держатели линзы и горелки закрепляются во втулках, центр которых выставлен на оптическую ось прибора. В осно-

ваниях втулок выполнены проточки, позволяющие в небольших пределах центрировать втулки относительно этой оси. Фотоумножители типа ФЭУ-39А или ФЭУ-106 жестко крепятся в специальных держателях к корпусу осветительного устройства монохроматора.

Для атомизации образцов в пропан-бутан-воздушном пламени используется горелка предварительного смешивания. Смесительная камера горелки представляет собой полый цилиндр длиной 120 мм с наружным диаметром 49 мм. Внутренняя полость сужается к выходу от диаметра 32 до 23 мм. Образовавшийся уклон позволяет сконденсировавшемуся аэрозолю стекать вниз и выводится за пределы камеры. В боковую поверхность камеры на расстоянии 16 мм от входа вмонтирован ниппель для закрепления шланга для подачи горючего газа. В верхней части смесительной камеры имеется отверстие диаметром 32 мм, в которое установлена втулка для закрепления насадки атомизатора, состоящей из корпуса и верхней планки. Размеры корпуса — 130X40X32 мм. В верхней планке высверлено 2 ряда отверстий, по 30 — в каждом ряду. Диаметр отверстий — 1,7 мм, расстояние между центрами двух соседних отверстий в одном ряду — 3,5 мм, расстояние между центрами отверстий в рядах — 4,0 мм. Общая протяженность поглощающего слоя — 105 мм. Распыление образца производится концентрическим пневматическим распылителем, позволяющим производить регулировку потребления раствора и размера капель образующегося аэрозоля, или ультразвуковым распылителем.

В качестве источника света в приборе используются спектральные лампы с полым катодом типа ЛСП-1. Могут использоваться лампы типа ЛСП-2 и другие источники резонансного излучения. Для питания ламп может использоваться выпускаемый промышленностью прибор ППСЛ-1, обеспечивающий пределы регулировки силы тока 15—50 мА, или разработанный нами прибор, расширяющий пределы регулировки до 5—50 мА и позволяющий поддерживать его с точностью не хуже 0,01% при изменении напряжения питающей цепи в интервале 170—240 В, собранный на лампе 6П15П и микросхеме серии К553.

Для питания фотоумножителей могут использоваться выпускаемые промышленностью стабилизированные источники высоковольтного напряжения или разработанный в лаборатории источник, создающий стабилизированное напряжение в пределах 300—2000 В при токе нагрузки до 3 мА, полностью выполненный на полупроводниковых приборах, в котором ста-