Микроволновое разложение проб: как выбрать систему пробоподготовки для ААС и ИСП

Атомно-абсорбционный спектрометр, ИСП-ОЭС и ИСП-МС работают только с растворами. Почву, руду, корма, продукты, полимеры, масла и сплавы сначала нужно перевести в раствор — разложить. Именно на этом этапе теряются летучие элементы, проба загрязняется из кислот и посуды, а часть вещества остаётся неразложенной. Исправить такие ошибки на приборе уже нельзя. Ниже — какие бывают способы разложения, как устроена микроволновая система, чем отличаются Speedwave Xpert и Speedwave Entry и что проверить перед покупкой оборудования для пробоподготовки.

Коротко:

• Для элементного анализа твёрдые и сложные пробы переводят в раствор кислотным разложением.
• Микроволновое разложение в закрытых автоклавах сокращает подготовку с нескольких часов до 15–45 минут и сохраняет летучие элементы.
• Результат зависит не только от печи, но и от автоклавов, контроля температуры и чистоты кислот.
• Систему выбирают по типам проб, навеске, числу образцов в день и методу финального анализа.

Зачем раскладывать пробу перед ААС и ИСП

В ААС и ИСП проба распыляется в пламя, графитовую печь или плазму в виде раствора. Поэтому образец нужно полностью перевести в жидкую форму: органическую матрицу окислить, минеральную растворить, а определяемые элементы сохранить без потерь. От того, насколько полно и чисто прошло разложение, зависят правильность и воспроизводимость результата, а также срок службы горелок, конусов и распылителей.

Типичные проблемы при неправильной пробоподготовке:

• потери летучих элементов — ртути, мышьяка, селена — при открытом нагреве;
• загрязнение пробы примесями из кислот, посуды и воздуха лаборатории — особенно заметно на уровне ppb в ИСП-МС;
• неполное разложение — в растворе остаются частицы и органика, которые искажают сигнал;
• разброс между параллельными пробами из-за ручных операций и разных условий нагрева.

О том, почему один и тот же образец может давать разные результаты, мы подробно писали в статье почему один и тот же образец даёт разные результаты анализа.

Способы разложения проб: что выбрать

Для разложения в автоклавах с нагревом на плитке подходят системы разложения DAB-2, DAB-3, DAB-4 и DAB-5: 2, 4 или 5 автоклавов объёмом от 10 до 250 мл, навеска 2–5 г, давление до 200 бар и температура до 260 °C. Их используют для металлов, сплавов, горных пород, стекла, шлаков, пластиков, продуктов, нефтепродуктов, почв и биологических образцов.

Как работает микроволновая система разложения

Навеску пробы помещают в автоклав, добавляют кислоту или смесь кислот, закрывают и устанавливают в печь. Микроволны нагревают раствор изнутри, температура и давление в закрытом сосуде быстро растут, и разложение идёт значительно быстрее, чем при открытом нагреве. Программа задаёт ступени нагрева и выдержки, после чего автоклавы остывают, и раствор доводят до объёма для анализа.

По сравнению с классическим кислотным разложением на плите микроволновая система:

• сокращает подготовку пробы с нескольких часов, а иногда и суток, до 15–45 минут;
• не выпускает пары кислот в лабораторию — автоклавы герметичны;
• минимизирует потери легколетучих элементов;
• обеспечивает одинаковые условия для всех проб в загрузке и воспроизводимость между сериями.

Контроль температуры и давления: от чего зависит безопасность

Главный риск при работе с закрытыми сосудами — резкий рост давления при бурной реакции. Поэтому в современных системах контроль ведётся внутри каждого автоклава, а не только по камере печи.

• В Speedwave Xpert есть оптические технологии контроля: DIRC — давление внутри каждого автоклава, OTC — бесконтактное измерение температуры каждого сосуда с защитой от перегрева, OPC — оптический контроль температуры внутри автоклава.
• В Speedwave Entry температура в каждом автоклаве измеряется встроенным бесконтактным инфракрасным сенсором, а мощность магнетрона подстраивается под процесс.
• Все автоклавы Berghof снабжены многоразовой предохранительной металлической мембраной: при спонтанной реакции давление сбрасывается безопасно, а сосуд остаётся пригодным к работе.

Автоклавы: материал, объём и давление

Автоклавы Berghof изготавливают из инертного полимера изостатического прессования TFM-PTFE, для особых задач — с кварцевыми вставками. Специальные вставки позволяют повысить рабочее давление, уменьшить рабочий объём или разложить несколько микропроб в одном сосуде. Для Speedwave Entry доступны, например, такие варианты:

Тип автоклава выбирают по навеске и матрице: для органических проб с бурным выделением газов нужен запас по объёму и давлению, для следового анализа малых навесок удобны кварцевые сосуды.

Чистые кислоты: о чём часто забывают

В ИСП-МС и графитовой печи ААС определяют элементы на уровне долей ppb. Если в кислоте для разложения столько же примесей, сколько в пробе, результат теряет смысл. Поэтому для следового анализа кислоты дополнительно очищают перегонкой ниже температуры кипения.

Система очистки кислот Berghof BSB-939-IR получает ультрачистые кислоты дистилляцией при температуре на 10 °C ниже точки кипения. Нагрев бесконтактный, инфракрасной лампой, а дистиллят контактирует только с высокочистым фторопластом. В соляной кислоте после очистки содержание большинства элементов — менее 0,05 ppb. Производительность за 24 часа: вода — 1,8 л, азотная кислота — 1,2 л, соляная — 1,1 л, плавиковая — 1 л.

Speedwave Xpert или Speedwave Entry

Если лаборатория загружена разнородными сложными пробами и ведёт разработку методик, обычно выбирают Speedwave Xpert. Для стабильного рутинного потока однотипных проб часто достаточно Speedwave Entry. Всё оборудование для этого этапа собрано в разделе пробоподготовка.

Как выбрать систему разложения: чек-лист

1. Какие пробы. Почвы и донные отложения, растения и корма, продукты, масла, полимеры, руды и сплавы требуют разных кислот, температур и объёмов автоклавов.
2. Какая навеска. От неё зависит объём автоклава и рабочее давление: органика выделяет много газов.
3. Сколько проб в день. Число позиций в роторе и длительность цикла определяют производительность лаборатории.
4. Какие элементы. Для ртути, мышьяка и селена нужны закрытые сосуды и контроль температуры, для следовых концентраций — чистые кислоты и кварцевые вставки.
5. Финальный метод. ААС, ИСП-ОЭС или ИСП-МС предъявляют разные требования к остаточной кислотности и чистоте раствора.
6. Методика. ГОСТ, СТ РК, ISO или внутренняя методика задают кислоты, режим и навеску — систему подбирают под неё.
7. Инфраструктура. Вытяжка, место под печь и контроллер, хранение кислот, вода высокой чистоты.
8. Расходники и сервис. Автоклавы, мембраны, вставки — их ресурс и наличие влияют на стоимость каждого анализа.

Частые ошибки при пробоподготовке

• Слишком большая навеска органики. Из-за резкого роста давления срабатывает мембрана, и разложение приходится повторять.
• Обычные кислоты для следового анализа. Фон от примесей перекрывает определяемые концентрации.
• Одна программа на все пробы. Масла, почвы и сплавы требуют разных режимов нагрева.
• Нет холостой пробы. Без неё не видно вклада кислот и посуды в результат.
• Экономия на автоклавах. Изношенные сосуды хуже держат давление и загрязняют пробы.

Вопросы и ответы

Что такое микроволновое разложение проб?

Это перевод твёрдой или сложной пробы в раствор кислотами в закрытых автоклавах, которые нагреваются микроволнами. Высокие температура и давление ускоряют разложение и делают его полным.

Сколько длится микроволновое разложение?

Обычно 15–45 минут на цикл в зависимости от пробы и программы, плюс время на охлаждение автоклавов. Открытое разложение на плитке может занимать часы и даже сутки.

Для каких методов анализа нужна такая пробоподготовка?

Прежде всего для атомно-абсорбционной спектрометрии, ИСП-ОЭС и ИСП-МС — методов, которые работают только с растворами.

Почему не теряются ртуть и мышьяк?

Автоклав герметичен, поэтому летучие соединения остаются в сосуде и после охлаждения возвращаются в раствор. При открытом нагреве они частично уходят с парами кислот. Какие методы и приборы применяют для ртути — в статье определение ртути в пробах.

Безопасно ли работать с закрытыми автоклавами?

Да, если соблюдать допустимую навеску и программу. Температура и давление контролируются в каждом сосуде, а предохранительная мембрана сбрасывает избыточное давление при бурной реакции.

Чем автоклавы из TFM-PTFE лучше обычного тефлона?

TFM-PTFE, полученный изостатическим прессованием, плотнее и инертнее, лучше выдерживает высокие температуры и давление и меньше удерживает элементы от предыдущих проб.

Зачем отдельная система очистки кислот?

Для следового анализа примеси в кислотах сравнимы с содержанием элементов в пробе. Перегонка ниже точки кипения даёт кислоты с примесями на уровне менее 0,05 ppb по большинству элементов.

Можно ли разложить в микроволновой системе масла и полимеры?

Да, это типичные задачи для систем разложения. Важно правильно подобрать навеску, кислотную смесь и программу, чтобы не превысить допустимое давление.

Сколько стоит система микроволнового разложения?

Цена зависит от модели, числа и типа автоклавов, опций контроля и комплекта для выпаривания. Пришлите перечень проб и методику — подготовим коммерческое предложение.

Оборудование для пробоподготовки в Алматы

ТОО AsiaLab — авторизованный представитель Berghof и PerkinElmer в Казахстане. Поставляем системы микроволнового разложения Speedwave Xpert и Speedwave Entry, автоклавы и вставки, системы разложения DAB, системы очистки кислот BSB-939-IR, а также атомно-абсорбционные спектрометры, ИСП-спектрометры и ИСП-масс-спектрометры. Помогаем подобрать автоклавы и программы под ваши пробы, доставляем по Казахстану, вводим в эксплуатацию и обучаем персонал.

Пришлите перечень проб и методику — подберём комплект и подготовим коммерческое предложение. Телефоны: +7 (727) 222-28-17, +7 (701) 710-16-45, e-mail info@asialab.kz. Офис: Алматы, пр. Абылай хана, 68-6, пн–пт с 10:00 до 18:00. Все контакты — на странице контакты.