Сапьянов С. А.
Применение анализатора МАЭС
Многоэлементный атомно-эмиссионный анализ (АЭА) объектов окружающей среды, таких как горные породы и руды, в лаборатории ООО НПГФ «Регис» используется более 15 лет. Этот анализ зарекомендовал себя как недорогой экспрессный метод определения элементов при поисках геохимических аномалий, сопровождающих золоторудные месторождения. До начала внедрения многоканального анализатора эмиссионных спектров (МАЭС) анализ проб проводился путем введения измельченных проб без предварительной пробоподготовки в дуговой разряд переменного тока по способу «вдувания-просыпки», с регистрацией спектров на стеклянную фотографическую пластинку. На одной фотографической пластинке размещается 120 спектров проб. После проявления полученных фотографий спектров инженер-спектроскопист приступал к их расшифровке.
Данный способ регистрации спектров был разработан в середине XX века и, несмотря на свою надежность, морально устарел. Регистрация спектров на фотопластинку серьезно ограничивала возможности по оперативному контролю процесса анализа, поскольку результаты анализа становились известны уже после его завершения. Также на качество получаемых спектров влияла процедура проявки фотопластинок, что требовало от лаборантов определенных навыков работы с фотоматериалами. Сама расшифровка спектров с одной фотопластинки занимает не менее 8 часов, проводится визуально с помощью бинокулярных микроскопов. Для ее качественного проведения необходимы специалисты, имеющие как минимум пятилетний опыт расшифровки спектрограмм. Также существуют ограничения по срокам хранения фотопластинок, уже через пять лет происходят изменения в фотоэмульсии, влияющие на результат при повторной расшифровке.
В 2019 году в Центральной пробирно-аналитической лаборатории (ЦПАЛ) был принят курс на модернизацию оборудования в части автоматизации и цифровизации атомно-эмиссионного анализа. Для этого один из спектрографов СТЭ-1 был модернизирован анализатором МАЭС для фотоэлектрической регистрации спектра. Также был заменен блок атомизации проб со шнековой подачей пробы в трехфазную дугу переменного тока установки УТД-3 на двухфазную установку для анализа порошковых проб методом «просыпки-вдувания» «Поток». После модернизации начались работы по подбору оптимальных условий проведения анализа для наиболее часто определяемых спектральным методом элементов: Ag, As, B, Ba, Bi, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Mo, Ni, Nb, P, Pb, Sb, Sn, Ti, V, W, Zn. В результате были установлены преимущества использования комплекса «Поток» — СТЭ-1 — МАЭС по сравнению с фотографической регистрацией спектров, получаемых на установке УТД-3 в связке с СТЭ-1.
Так, сократилось время проведения анализа и обработки данных. Процесс обработки одной фотопластинки, на которую идет регистрация спектров анализируемой партии из 120 проб, занимает не менее 8 часов, при этом обработка результатов анализа на МАЭС партии из 320 проб занимает 4–5 часов. Это приводит к значительному сокращению времени выдачи результатов, как следствие — оперативность информации для заказчиков.
Помимо этого, исключается субъективный фактор при проявке фотопластинок и расшифровке полученных спектров. Программное обеспечение МАЭС рассчитывает содержания определяемых элементов в пробе по заранее построенным градуировочным характеристикам, правильность построения которых проверяется анализом стандартных образцов. Для каждой длины волны определяемых элементов создается алгоритм расчета с учетом спектральных наложений мешающих элементов и других особенностей спектра. Это позволяет упростить обработку результатов и свести к минимуму возможность выдачи некорректного результата анализа исполнителем.
Расшифровка результатов многоканального анализатора эмиссионных спектров
В процессе подбора оптимальных условий анализа были установлены верхний и нижний пределы определения элементов с использованием МАЭС. Сравнение диапазонов определения элементов с регистрацией на МАЭС и фотопластинку в образцах с природной матрицей приведено в таблице 1. Полученные пределы сопоставимы с пределами, получаемыми на комплексе УТД-3 — СТЭ-1 с фотопластинкой.
При анализе проб без предварительной подготовки методом АЭС существенное влияние на результаты анализа оказывает минеральный и химический состав проб, приводя к увеличению систематической погрешности анализа. Систематическую погрешность можно уменьшить, подобрав стандартные образцы для градуировки, близкие исследуемым пробам по валовому и минералогическому составу. Благодаря наличию большого перечня разнообразных по составу стандартных образцов горных пород и руд были построены градуировочные зависимости в программном обеспечении АТОМ комплекса МАЭС. Для приведенного выше перечня 21 элемента в лаборатории добились снижения величины систематической погрешности за счет учета влияния мешающих линий и матричной основы при компьютерной обработке спектров. Улучшение точности результатов было достигнуто за счет подбора оптимальных аналитических параметров спектральных линий, которые учитывают особенности состава образцов. Программа АТОМ позволяет выполнять вычисления различных вариантов аналитического параметра спектральной линии при разнообразных способах учета фона и суммирования интенсивности по разному количеству пикселей (интеграл, площадь и др.). Учет изменяющегося вклада спектральной помехи в суммарный контур линии определяемого и мешающего элементов осуществляется вычитанием восстановленного контура помехи (опция «Гаусс») или вычитанием интенсивности другой линии мешающего элемента, аналогичной по типу электронного перехода, либо при включении этой линии в градуировочную зависимость (опция «Учет межэлементных влияний»).
Применение анализатора МАЭС позволило автоматизировать операцию обработки спектров и сократить время проведения атомно-миссионного анализа. Современная система регистрации анализатора МАЭС, обладая высокой стабильностью, позволяет работать в режиме постоянного графика. Это повышает производительность и сокращает расход материала стандартных образцов. Для исключения вероятности ошибки или промаха расчет содержаний каждого элемента выполняется по нескольким аналитическим линиям.
Использование программы «Атом» для управления всем процессом анализа от экспонирования спектров до получения результатов привело к улучшению качества работы лаборатории. Благодаря широким возможностям программой обрабатывается огромный объем спектральной информации. Производится учет наложений на аналитические линии, выбор оптимального положения точек для измерения уровня фона в пробах горных пород разного состава.
Применение нескольких аналитических линий для каждого элемента вместе с большим набором инструментов ПО «Атом» для обработки полученных спектров позволяет проводить потоковый спектральный анализ проб разного минерального состава с приемлемыми для полуколичественного анализа метрологическими характеристиками и исключить вероятность ошибки или промаха при выполнении анализа.
Преимущества анализатора МАЭС
Прямой метод АЭА для массовых геохимических исследований месторождений имеет ряд очевидных преимуществ относительно иных многоэлементных спектральных методов (АЭС-ИСП, ААС) при том же перечне определяемых элементов:
— высокая производительность анализа за счет прямого испарения материала пробы и цифровой обработки данных;
— отсутствует необходимость предварительной химподготовки пробы;
— минимизация издержек по количеству контрольных процедур (высокая стабильность градуировок во времени);
— низкая стоимость проведение анализа (до 50 %) вследствие отсутствия необходимости применения чистых технических газов, высокочистых реактивов (кислот, щелочей и пр.), посуды, низкая численность сотрудников на этапе пробоподготовки;
— архивное хранение полного спектра пробы и возможность получения доп. информации по элементному составу, не прибегая к повторному анализу материала.
Внедрение современных подходов обработки аналитической информации позволяет модернизировать уже проверенное временем оборудование и открывает перспективы по значительному улучшению его метрологических характеристик.
Сергей Валерьевич Дюжев, директор по развитию минерально-сырьевой базы Группы компаний «Атлас Майнинг»:
— Несмотря на многообразие существующих аналитических методов, «стандартного» метода не существует. Как правило, выбор метода анализа геохимических проб обусловлен его возможностями, поставленной задачей и особенностями ее реализации. При проведении площадных геохимических поисков наиболее важны следующие факторы: низкий предел обнаружения элемента, надежность анализа, скорость получения результата и стоимость.
За годы работ для многоэлементного анализа геохимических проб успешно себя зарекомендовал и используется в настоящее время метод ПКСА. Данный вид анализа не является количественным, но в то же время от него это и не требуется. ПКСА позволяет с достаточной долей надежности определить наличие элементов-спутников полезного компонента и выделить перспективные участки для дальнейшей постановки первоочередных геолого-разведочных работ.
Именно таким образом были выявлены месторождения рудного золота Покровское, Пионер, Желтунак, Бамское и многие другие.
Список литературы
1. Дробышев А. И. Основы атомного спектрального анализа; С.-Петерб. гос. ун-т. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1997. — 198, [1] с.: ил., табл.; 20 см.
2. Лонцих С. В., Недлер В. В., Райхбаум Я. Д., Хохлов В. В. Спектральный анализ при поиске рудных месторождений. Л.: Недра, 1969. 296 с.
3. Методические основы исследования химического состава горных пород, руд и минералов / под ред. Г. В. Остроумова. М.: Недра, 1979. 400 c.
4. Материалы VII международного симпозиума «Применение анализаторов МАЭС в промышленности». Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН Институт автоматики и электрометрии СО РАН ООО «ВМК-Оптоэлектроника». Новосибирск, Академгородок, 15–18 августа 2006 г.
