Элементный анализатор

Элементный анализатор – прибор для экспресс-определения массовой доли углерода, водорода, азота, серы и кислорода в веществах различной природы.

Мы рассмотрим применение элементных CHNS/O-анализаторов, принцип работы, особенности рынка аналитического оборудования в России и критерии выбора с учетом задач конкретной лаборатории. Также разберем основные технические характеристики и проведем сравнение популярных приборов, доступных для поставки в Россию.

Применение элементных анализаторов

Углерод, водород, азот, сера и кислород (CHNS/O) - основные элементы, входящие в состав большинства органических соединений и многих неорганических материалов. Их содержание определяет свойства материалов, и возможность их применения в различных областях. Поэтому определение массовых долей элементов CHNS/O - одна из ключевых задач современной аналитической химии.

Анализ CHNS/O широко применяется в химической, фармацевтической, косметической и пищевой промышленности, материаловедении, нефтехимии, научных исследованиях и разработках. Многие задачи требуют точного определения элементного состава веществ: контроль качества сырья и готовой продукции, подтверждение состава, контроль процессов синтеза, очистки и разделения и пр.

В отличие от многих элементов, широко определяемых методами атомной спектроскопии, углерод, водород, азот, сера и кислород на практике редко анализируют этими методами. Это связано с тем, что их аналитические спектральные линии расположены в неудобных для регистрации областях спектра, и чувствительность оказывается неудовлетворительной из-за высокого фонового сигнала компонентов воздуха (N₂, O₂, H₂O, CO₂).

Поэтому CHNS/O-анализаторы востребованы в современных аналитических лабораториях и позволяют получать достоверную информацию об элементном составе органических и неорганических материалов.

Принцип работы элементных анализаторов

Поскольку методы атомной спектроскопии (ААС, ИСП-АЭС, ИСП-МС) ограниченно применяются для определения углерода, водорода, азота, серы и кислорода, для этих элементов используют другие аналитические подходы. Широко используется метод высокотемпературного сжигания с последующим количественным детектированием образующихся газов CO₂, H₂O, N₂ и SO₂. Метод известен как метод Дюма.

Основные модули элементных анализаторов по методу Дюма – это система ввода пробы, зона высокотемпературного сжигания, зона разделения и очистки продуктов сжигания и зона детектирования. Обобщенная схема элементного анализатора CHNS/О представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Обобщенная схема элементного анализатора CHNS/O.

Метод Дюма позволяет значительно сократить время анализа по сравнению с классическими химическими методами определения элементного состава, обеспечивая при этом высокую точность и воспроизводимость результатов при минимальном участии оператора.

Сегодня доступны современные автоматические анализаторы, работающие по модифицированному методу Дюма и позволяющие определить содержание нескольких элементов в образце всего за несколько минут. При этом кислород измеряется в отдельном аналитическом цикле. Приборы предназначены для анализа твердых и жидких образцов различной природы. Это могут быть полимеры, нефтепродукты, фармацевтические препараты, пищевые продукты, корма, почвы, руды, твердое топливо, биомасса и другие материалы.

Конструкция анализатора зависит от технических решений, реализованных производителем. Несмотря на различия между моделями, основные этапы анализа остаются схожими и включают ввод пробы, сжигание или пиролиз образца, доокисление и/или восстановление продуктов, очистку и разделение полученных газов, детектирование и обработку информации.

Ситуация на рынке элементных анализаторов

На сегодняшний день на рынке элементных анализаторов по-прежнему востребовано оборудование ведущих производителей, таких как Thermo Scientific, LECO, Analytik Jena и Elementar. Однако не все из них в равной степени доступны российским пользователям. В последние годы поставки ведущих мировых брендов, как правило, осуществляются через третьи страны, что приводит к росту стоимости приборов, расходных материалов и запасных частей, а также к увеличению сроков поставки.

Одновременно на российский рынок выходят новые производители аналитического оборудования. Все большую распространенность получают анализаторы китайского производителя Sundy, которые были внесены в Государственный реестр средств измерений Российской Федерации в 2024 году. Сегодня оборудование этого производителя все чаще рассматривается как альтернатива привычным, но менее доступным решениям.

Оборудование мировых брендов из США и Европы обладает широкими аналитическими возможностями и остается востребованным. Однако длительные сроки поставки, возросшая стоимость и ограниченная доступность сервисного обслуживания зачастую становятся ограничивающими факторами при приобретении новых приборов. Новые китайские бренды за счет предсказуемых сроков поставки, официальной поддержки производителей и доступности запасных частей могут рассматриваться как привлекательный вариант для оснащения аналитической лаборатории.

Основные характеристики элементных анализаторов

При выборе оборудования для лаборатории важно учитывать не только стоимость и сроки поставки, но и технические характеристики элементных анализаторов CHNS/O. Выбор оптимального набора характеристик определяется аналитическими задачами лаборатории, типом анализируемых образцов и требуемой производительностью. Верно подобранный анализатор - залог качественных анализов, точных и воспроизводимых результатов и стабильной работы современной лаборатории. Ниже рассмотрим основные технические характеристики элементных анализаторов по методу Дюма и их влияние на процесс анализа и результаты. Для примера рассмотрим технические характеристики элементных анализаторов серии FlashSmart™ Elemental Analyzer производства Thermo Scientific (США) и анализаторов серии SD производства Hunan Sundy Science and Technology Co., Ltd. (Китай).

Основные характеристики элементных анализаторов CHNS/O приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики элементных анализаторов CHNS/O.

Элементы, определяемые с помощью элементных анализаторов

Чтобы функциональные возможности выбранного анализатора соответствовали задачам конкретной лаборатории, в первую очередь необходимо определить перечень элементов, которые требуется анализировать.

Большинство элементных анализаторов ведущих американских и европейских производителей позволяют определять углерод, водород, азот, серу и кислород с использованием одного прибора. Некоторые производители, например, Elementar и Analytik Jena, предлагают модели с возможностью дополнительного определения хлора. Анализатор Thermo Scientific FlashSmart™ в полной конфигурации CHNS/O включает два независимых аналитических контура: определение CHNS методом сжигания и определение кислорода методом пиролиза. При этом прибор оснащен двумя независимыми печами, которые могут использоваться последовательно с помощью специальной системы клапанов Thermo Scientific™ MultiValve Control™ (MVC).

Анализаторы китайского производителя Sundy объединяют до трех элементов в одной конфигурации. Приборы серии SD поставляются в фиксированных конфигурациях: CHN, CH, C, H или N. При этом для анализа серы требуется самостоятельный анализатор. Для анализа галогенов компания Sundy также предлагает отдельно стоящие приборы.

Таким образом, выбор конфигурации CHNS/O-анализатора зависит от перечня решаемых лабораторией задач. Приборы с расширенными возможностями позволяют объединить несколько аналитических операций в рамках одного анализатора, что может снизить требования к рабочему пространству и ускорить обработку образцов.

Диапазон измерений массовой доли элементов

Второй важный показатель при выборе прибора - требуемый диапазон измерений макро- и/или микрокомпонентов. В таблице 2 представлены диапазоны измерения элементов для анализаторов Thermo Scientific FlashSmart™ и Sundy SD.

Таблица 2. Диапазоны измерения элементов для анализаторов Thermo Scientific FlashSmart™ и Sundy SD.

Можно сделать вывод о том, что элементные анализаторы могут определять, как макро-, так и микрокомпоненты в широком диапазоне массовых долей. При подборе оборудования для анализа микропримесей, следует учитывать, что определение содержания элементов на уровне ppm недостижимо для некоторых моделей.

Вместимость автосамплера

Автосамплер позволяет автоматически вводить пробы в анализатор без постоянного участия оператора, что повышает производительность лаборатории. Вместимость автосамплеров может составлять от нескольких десятков до сотен образцов в зависимости от производителя и модели.

Точные навески образцов помещаются в прибор в специальных контейнерах. Для твердых и жидких проб используют лодочки, капсулы или чашечки из тонкой металлической фольги. Для изготовления контейнеров под различные типы образцов обычно используют алюминий, серебро или олово.

Контейнеры с образцами запечатывают с помощью специальных устройств и помещают в держатель проб. Непосредственно перед анализом контейнер с пробой продувается газом-носителем для удаления воздуха.

Анализатор Thermo Scientific FlashSmart™ может быть оснащен двумя автосамплерами одновременно. С помощью специальной системы клапанов, которая осуществляет переключение газовых потоков между двумя аналитическими каналами системы, можно автоматически осуществлять анализ углерода, водорода, азота и серы (CHNS) в одном канале и кислорода (O) в другом.

Емкость автосамплера приборов Sundy составляет 36 или 72 образца. Для удобства можно добавлять и заменять образцы в автосамплере в ходе анализа серии проб.

Масса навески при элементном анализе

Немаловажный этап элементного анализа - взятие точной навески. Следует обратить внимание, что чем меньше навеска, тем точнее должно производиться взвешивание образца с помощью соответствующих аналитических весов. При работе с долями миллиграмм требуются весы с точностью до 6 знака после запятой. С доступными в избытке пробами, такими как растения, пищевые продукты и почва, масса навески для анализа рекомендуется 100 мг. В таком случае обычно достаточно весов с точностью до 4-5 знака после запятой.

Масса навески, необходимая для точный и воспроизводимых измерений, отличается от анализатора к анализатору и зависит от его характеристик. Выбор следует осуществлять исходя из доступности и типа ваших проб.

Бывают случаи, когда образца для анализа доступно очень ограниченное количество. Например, когда синтез всего нескольких миллиграмм вещества представляет сложный и длительный процесс, или для анализа представлены археологические артефакты. Гомогенность образца также влияет на точность измерений. Сложные матрицы, такие как как почва или материалы растительного происхождения, рекомендуется дополнительно гомогенизировать в качестве пробоподготовки.

Диапазон масс навесок анализаторов серии FlashSmart производства Thermo Scientific составляет 0,1–100 мг. То есть можно комфортно работать с малыми навесками в несколько мг. При этом анализаторы китайского производства требуют для анализа не менее нескольких десятков миллиграмм образца.

Материал капсул и агрегатное состояние проб при элементном анализе

Большинство анализаторов работают с твердыми и жидкими пробами, упакованными в специальные капсулы, чашечки или лодочки из тонкой металлической фольги. Некоторые анализаторы способны работать с газообразными образцами и сжиженными газами с помощью специальных систем ввода проб в анализатор.

При использовании анализаторов серии SD производства Hunan Sundy Science and Technology Co., Ltd. (Китай) образцы рекомендуется взвешивать в чашечке из оловянной фольги (твердые и вязкие жидкие пробы) либо в оловянной капсуле (жидкие пробы). Thermo Scientific рекомендуют использовать капсулы из олова для CHNS анализа и из серебра для анализа кислорода.

Тип матрицы элементных анализаторов

Анализаторы способны стабильно работать с органическими и неорганическими материалами. При этом оптимальная навеска образца зависит от типа матрицы. Например, при анализе почв следует брать навески по больше, поскольку значительная часть такой пробы не сгорает при температурах около 1150 °C. При этом силикаты и другие инертные материалы остаются в реакторе и требуется проводить регулярную очистку реактора и золосборника. Органические образцы наоборот сгорают очень хорошо, и навески более 50 мг создают чрезмерное давление сгорания и образовавшиеся газы могут перегрузить разделительную способность системы, что не позволит получать надежные результаты.

Количество реакторов

При определении нескольких элементов в одном анализаторе последовательно выполняются несколько стадий: сжигание или пиролиз, доокисление и восстановление продуктов реакции. Для данных процессов анализаторы оснащают несколькими реакторами. Поскольку отдельные стадии анализа требуют различных температурных условий, конструкция прибора может включать несколько печей.

После первичного разложения образца газообразные продукты реакции переносятся газом-носителем через катализаторы, где происходит дополнительное окисление и очистка перед последующим разделением и детектированием. Основные химические реакции, которые происходят в реакторах CHN-анализатора приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные химические реакции CHN-анализатора.

Диапазон температур

Рабочий диапазон температур отличает приборы друг от друга. Сжигание образцов обычно производится в диапазоне температур 900-1200 °С. Верхний предел определяется условиями полного сгорания большинства материалов до интересующих газов N₂, O₂, H₂O, CO₂ и SO₂ и материалом реактора. При этом температура не должна быть слишком низкой, так как в этом случае сгорание может произойти не полностью. Использование температур более 1200 °C может ускорить износ кварцевой трубки реактора. Использование некоторыми производителями специальных керамических материалов позволяет работать с более высокими температурами – до 1400-1600 °С.

Максимальная температура реактора сжигания (CHNS) анализатора FlashSmart™ Elemental Analyzer производства Thermo Scientific составляет 950 °C, а реактора пиролиза для получения кислорода 1060 °C. В анализаторах SD Sundy (Китай) для определения азота, водорода и углерода, конструкцией предусмотрено сжигание при температуре до 1000 °С. В модулях Sundy для анализа серы сжигание проводится при температурах до 1400 °С.

Газ-носитель в режиме CHN, CHNS или О

Производители элементных анализаторов предъявляют довольно высокие требования для используемых газов. Иначе заявленная точность измерения не сможет быть достигнута. Степень чистоты кислорода для сжигания обычно требуется 99,995%. Китайские производители менее требовательны к газам, для использования приборов Syndy достаточно обеспечить подачу кислорода с чистотой 99,99%. Газ-носитель (гелий) рекомендуется использовать класса для газовой хроматографии или чистоты 99,99%. Некоторые производители рекомендуют использовать Аргон.

Система разделения продуктов сжигания и детектирования

Для разделения получившихся газообразных продуктов на индивидуальные компоненты для последующего детектирования используют адсорбционные колонки и метод температурно-программируемой десорбции или газовую хроматографию. В некоторых системах, в частности, используются селективные детекторы для CO₂, H₂O и NO₂, поэтому необходимости в разделении газовой смеси нет.

В аналитической системе FlashSmart™ производства Thermo Scientific используется детектор по теплопроводности для определения всех элементов: C, H, N, S и O.

В анализаторах серии SD производства Sundy для каждого элемента предусмотрена отдельная селективная система детектирования. Для C и Н предусмотрены ИК-ячейки. На детекторе по теплопроводности в данном случае определяется только азот.

Некоторые производители применяют альтернативные методы детектирования, например, хемилюминесценцию для определения азота, а также флуоресцентные или электрохимические методы для определения серы.

В качестве вывода следует отметить, что использование одного детектора после системы разделения позволяет упростить конструкцию анализатора и снизить требования к техническому обслуживанию за счет уменьшения количества аналитических модулей. Использование отдельных детекторов для каждого элемента позволяет отказаться от системы разделения газовой смеси, что снижает влияние данного этапа на результаты анализа и уменьшает потребность в расходных материалах, таких как хроматографические и адсорбционные колонки. С другой стороны, каждый тип детектора, включая ИК-ячейки и катарометры (TCD), также требует периодического обслуживания.

Вывод

Суммируя вышесказанное, при выборе элементного анализатора необходимо учитывать совокупность факторов: аналитические задачи лаборатории, технические характеристики оборудования, бюджет и доступность сервисной поддержки. Важно внимательно изучить особенности конкретных моделей, чтобы избежать ситуации, когда выбранный прибор не сможет обеспечить выполнение требуемых аналитических задач.

При выборе поставщика следует обращать внимание на опыт работы с аналитическим оборудованием, наличие необходимых компетенции и возможность технической поддержки. Для оборудования ведущих зарубежных производителей важны доступность сервисного обслуживания и поставка расходных материалов, а для новых решений на российском рынке — наличие методической поддержки, обучения пользователей и сопровождения при адаптации оборудования под существующие методики.

Вы можете купить элементный анализатор в компании Лабтех в Москве по наименьшей цене.