Атомная спектроскопия это анализ

Атомная спектроскопия

В атомной спектроскопии вещества исследуют, переводя их в состояние атомного пара – атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) или газообразное состояние – атомно-эмиссионная спектроскопия (АЭС).

В атомно-абсорбционной спектроскопии для возбуждения атомов используют тепловую энергию. Распыляя образец в пламени, соединения переводят в атомный пар (атомизация). Большинство атомов возбуждаясь, переходит на более высокий энергетический уровень. При обратном переходе происходит выделение энергии. В процессе облучения атомов исследуемого элемента, находящихся в состоянии пара, линейчатым излучением того же самого элемента в возбужденном состоянии происходит резонансное поглощение. Этот процесс сопровождается уменьшением интенсивности линейчатого излучения. Измеряемое поглощение является мерой концентрации свободных атомов образца.

Прибором, позволяющим осуществить метод ААС, является атомноабсорбционный спектрометр, имеющий следующие основные составные части:

источник света определенной длины волны, характерной для исследуемого металла;

«абсорбционную ячейку», в которой происходит атомизация пробы;

монохроматор для выделения узкой части спектра определенной длины волны;

фотоумножитель, который детектирует, усиливает и измеряет интенсивность результирующего светового потока;

регистрирующее и записывающее результирующий сигнал устройство.

Источник света испускает поток луча, спектр которого характерен для определяемого элемента. Этот поток фокусируется через абсорбционную ячейку и монохроматор, где выделяется характерная для исследуемого элемента область спектра. Затем поток направляется в фотоумножитель и преобразуется в электрический сигнал. Величина последнего зависит от интенсивности поступающего в фотоумножитель светового потока и регистрируется специальным устройством.

Сравнивая результаты измерений в исследуемой пробе с результатами измерений в стандартных растворах, определяют содержание элемента в пробе.

В качестве источников излучения при определении содержания рассматриваемых металлов, как правило, используют лампы с полым катодом, являющиеся источниками линейных спектров. Катод такой лампы имеет форму полого цилиндра или стакана. Объем лампы заполнен инертным газом (неоном или иногда аргоном).

Для атомизации пробы используют атомизаторы двух типов: пламенные и непламенные.

При реализации пламенного варианта ААС анализируемая проба распыляется в пламени горелки. Капли раствора быстро разлагаются до молекулярного уровня. Молекулы диссоциируют, образуя атомы отдельных элементов. Лишь около 10 % исследуемого раствора действительно попадает в пламя, что является одной из причин, ограничивающих чувствительность метода. Другой важной причиной является короткое время существования атомов элементов в пламени.

При реализации непламенного варианта ААС чаще всего используют высокотемпературные печи. Это в основном графитовые трубчатые печи, так называемые графитные кюветы, в которых разогрев происходит за счет пропускания электрического тока (электротермическая атомизация). В кювету вводят анализируемую пробу обычно объемом 1-100 мкл, затем нагревают кювету электрическим током. Температура кюветы повышается ступенчато, так что на первой стадии достигается сравнительно низкая температура, обеспечивающая испарение растворителя. На второй стадии температура кюветы повышается так, чтобы произошло сухое озоление пробы. И, наконец, кювета быстро разогревается до температуры 3000 °С, при которой происходит атомизация. На этой стадии и производится измерение абсорбционного сигнала.

Основными достоинствами графитовых атомизаторов являются низкие пределы обнаружения элементов и возможность анализировать очень малые объемы проб. В среднем пределы обнаружения различных металлов при работе с графитовыми атомизаторами на 2-3 порядка ниже, чем в пламенной ААС.

Определение элементов в атомно-абсорбционном методе заключается в измерении относительной интенсивности двух световых потоков. Один из них проходит через анализируемое вещество, другой является контрольным.

Одновременное измерение интенсивности двух световых потоков, один из которых проходит через пламя с анализируемым веществом, а другой нет, проводят с двухлучевыми атомно-абсорбционными спектрофотометрами.

Вариантом атомно-абсорбционной спектрометрии является метод «холодного пара», практически повсеместно используемый для определения содержания ртути в различных объектах, в том числе в сырье и пищевых продуктах.

В атомно-эмиссионной спектрометрии исследуют атомно-эмиссионные спектры, полученные в результате возбуждения атомов в газообразном состоянии.

Для перевода атомов в газообразное состояние и их возбуждения используют плазму, в качестве среды для получения плазмы применяют аргон. Существует два способа получения плазмы. В одном из них возбуждение происходит под действием электрических разрядов между электродами — плазма постоянного тока, а в другом — энергия высокочастотного переменного тока передается газу с помощью магнитной индукции — индуктивно-связанная плазма. При этом создаются высокие температуры, благодаря которым большинство атомов переходит в возбужденное состояние. Поглощение энергии такими атомами невозможно, поэтому при переходе из возбужденного состояния в основное происходит эмиссия (испускание) фотонов, интенсивность которой пропорциональна числу возбужденных атомов. Количественное определение элемента производят так же, как в атомно-абсорбционной спектрометрии.

Приборы, позволяющие осуществить метод АЭС, имеют те же основные части, что и атомно-абсорбционный спектрометр.

Следует отметить, что для количественного определения щелочных и щелочноземельных элементов рекомендуется метод АЭС.

Источник



Атомная спектроскопия

Атомная спектроскопия (также называемая атомной спектрометрией ) — это собирательный термин для спектроскопических методов, которые используются для количественного и качественного определения химических элементов . Атомная спектроскопия — это раздел аналитической химии . Различают:

  • Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС)
  • Атомно-эмиссионная спектрометрия (AES)
  • Атомно-флуоресцентная спектроскопия (AFS)
  • Спектрометрия искры (OES от англ. Оптическая эмиссионная спектрометрия )
  • Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS от англ. Индуктивно-связанная плазменная масс-спектрометрия )
  • Рентгеновская флуоресцентная спектрометрия (XRF / XRFS от англ. X-ray fluorescence Spectroscopy )
  • Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР англ. Ядерного магнитного резонанса )

Содержание

Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС)

Спектрометрии атомной абсорбции (AAS) является проверенным и быстрый способ количественного и качественного анализа многих элементов ( металлов , полуметаллов ) в основном водных растворов и твердых веществ. Он основан на ослаблении ( поглощении ) излучения за счет взаимодействия со свободными атомами. Поскольку каждый химический элемент имеет характерный линейчатый спектр , утверждения об элементах, содержащихся в образце, могут быть сделаны путем оценки разностного спектра для эталонного измерения без образца. Атомно-абсорбционная спектрометрия делится на следующие подпроцессы, связанные с преобразованием образца в газовую фазу:

  • F-AAS (сокращение от пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии , также называемой пламенной атомно-абсорбционной спектрометрией , также известной как пламенная технология или пламенная фотометрия)
  • GF-AAS или etA-AAS ( атомно-абсорбционная спектрометрия в графитовой печи , также известная как технология графитовой печи )
  • CV-AAS ( атомно-абсорбционная спектрометрия холодного пара , dt. «Атомно-абсорбционная спектрометрия с методом холодного пара », также называемая гидридным методом)
  • HR-CS AAS (англ. Атомно-абсорбционная спектрометрия высокого разрешения с континуальным источником , dt. «Атомно-абсорбционная спектрометрия с континуальным излучателем и двойным эшелле-монохроматором высокого разрешения»)

Атомно-эмиссионная спектрометрия (AES)

Атомно — эмиссионная спектрометрия (AES), часто оптическая эмиссионная спектрометрия (OES) в качестве ААС для количественного и качественного анализа твердых, жидких и газообразных проб.

Метод основан на том факте , что возбужденный атом излучает специфичной для элемента , электромагнитное излучение , и , таким образом , предоставляет информацию о пробе. Атомы возбуждаются внешним источником энергии, например Б. через пламя, дугу, искру или индуктивно связанную плазму (ICP) и переход в состояние плазмы . В результате получаются следующие подпроцедуры:

  • Пламенная атомно-эмиссионная спектрофотометрия (F-AES)
  • Оптический эмиссионной спектрометрии с индуктивно — связанной плазмой ( индуктивно связанной плазмой спектрометрии оптического излучения , ИСП-ОЭС)
  • СВЧ плазмотрон атомно-эмиссионная спектрометрия МПТ-АЭС

Атомно-флуоресцентная спектроскопия (AFS)

И флуоресценция, и фосфоресценция являются формами люминесценции (холодного свечения). Однако флуоресценция характеризуется тем, что она быстро прекращается (обычно в пределах одной миллионной секунды) после окончания облучения. С другой стороны, при фосфоресценции существует послесвечение, которое может длиться от долей секунды до нескольких часов.

Атомная флуоресценция — это оптическое излучение атомов, переведенных в газовую фазу, которые были переведены в более высокое энергетическое состояние за счет поглощения электромагнитного излучения (например, фотонов). Основным преимуществом флуоресцентной спектроскопии перед ААС является ее большая чувствительность, что стало возможным благодаря более низкому фоновому шуму. Метод резонансного возбуждения предлагает селективное возбуждение анализируемого вещества во избежание помех. AFS позволяет исследовать электронную структуру атомов и проводить количественные измерения. Анализ растворов или твердых веществ требует растворения, испарения и распыления аналита. Это происходит в тепловой трубе, в пламенной или графитовой печи; делать это следует при относительно низких температурах. На самом деле атомы возбуждаются лампой с полым катодом (HKL) или лазером. Обнаружение аналогично атомно-эмиссионной спектроскопии с использованием монохроматоров и фотоумножителей.

Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS)

ICP-MS означает масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой, то есть масс-спектрометрию с использованием индуктивно связанной плазмы. В отличие от предыдущих методов, в ICP-MS не наблюдается света, поглощаемого или испускаемого атомами, но измеряется воздействие ионов или их масс на детектор.

Читайте также:  Анализ текста русский огонек

Жидкий образец всасывается насосом, распыляется в распылителе, разбивается и ионизируется в плазме аргона в так называемой горелке. В основном однозарядные ионы фокусируются в высоком вакууме с помощью электрической линзы, разделяются на квадруполь в соответствии с их соотношением масса / заряд, а затем попадают в детектор, который регистрирует количество ионов на массу и, таким образом, позволяет количественный анализ элементов.

ICP-MS сочетает в себе возможности многоэлементного анализа, а также широкий линейный рабочий диапазон от ICP-OES с очень хорошими пределами обнаружения графитовой трубки AAS и даже превышает их. Это также один из немногих аналитических методов, который позволяет количественно определять концентрации изотопов при анализе элементов. Однако из-за узкого места при переходе от аргоновой плазмы к высокому вакууму можно вводить только ограниченные солевые нагрузки. Дорогие устройства высокого разрешения (секторные полевые устройства с разрешением приблизительно до 10 000) могут различать атомные и молекулярные массы в диапазоне десятичных знаков; таким образом они отделяют молекулярные помехи от фактически измеренных элементарных масс. Их чувствительность снова увеличена в 1000 раз по сравнению с квадрупольными приборами. Из-за низкой потребности в веществах они также идеально подходят для анализа радиоактивных проб.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Метод основан на ядерно — магнитном резонансе , резонансное взаимодействие между магнитным моментом из атомных ядер в образце, который находится в сильном статическом магнитном поле , и высокочастотном переменном магнитное поле. Для спектроскопии доступны только те изотопы , у которых ядерный спин в основном состоянии отличается от нуля и, следовательно, имеет магнитный момент.

Источник

Атомно-эмиссионная спектроскопия (атомно-эмиссионный спектральный анализ): основные звенья, схема, назначение

Атомно-эмиссионная спектроскопия (AES) — это метод химического анализа, в котором для определения количества элемента в образце используется интенсивность света, излучаемого пламенем, плазмой, дугой или искрой на определенной длине волны.

Длина волны атомной спектральной линии дает идентичность элемента, в то время как интенсивность излучаемого света пропорциональна количеству атомов элемента. В этом и суть атомно-эмиссионной спектроскопии. Она позволяет анализировать элементы и физические явления с безупречной точностью.

Спектральные методы анализа

Образец материала (аналита) вводится в пламя в виде газа, распыленного раствора или с помощью небольшой петли из проволоки, обычно платины. Тепло от пламени испаряет растворитель и разрушает химические связи, создавая свободные атомы. Тепловая энергия также переводит последние в возбужденные электронные состояния, которые впоследствии излучают свет, когда они возвращаются к прежней форме.

Каждый элемент излучает свет с характерной длиной волны, которая рассеивается с помощью решетки или призмы и обнаруживается в спектрометре. Прием, который чаще всего используется в этом методе, — это диссоциация.

Частым применением измерения выбросов с пламенем является регулирование щелочных металлов для фармацевтической аналитики. Для этого используется метод атомно-эмиссионного спектрального анализа.

Индуктивно-связанная плазма

Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-AES), также называемая оптической эмиссионной спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES), является аналитическим методом, используемым для обнаружения химических элементов.

Это тип эмиссионной спектроскопии, в котором используется индуктивно связанная плазма для получения возбужденных атомов и ионов, которые испускают электромагнитное излучение на длинах волн, характерных для конкретного элемента. Это метод пламени с температурой в диапазоне от 6000 до 10000 К. Интенсивность этого излучения указывает на концентрацию элемента в образце, используемом при применении спектроскопического метода анализа.

Основные звенья и схема

ICP-AES состоит из двух частей: ICP и оптического спектрометра. Факел ICP состоит из 3 концентрических кварцевых стеклянных трубок. Выходная или «рабочая» катушка радиочастотного (РЧ) генератора окружает часть этой кварцевой горелки. Газ аргон обычно используется для создания плазмы.

Когда горелка включена, внутри катушки создается сильное электромагнитное поле с помощью мощного радиочастотного сигнала, протекающего в ней. Этот РЧ-сигнал создается РЧ-генератором, который, по сути, является мощным радиопередатчиком, который управляет «рабочей катушкой» так же, как обычный радиопередатчик управляет передающей антенной.

Типичные инструменты работают на частоте 27 или 40 МГц. Газ аргон, протекающий через горелку, зажигается с помощью блока Тесла, который создает короткую разрядную дугу в потоке аргона, чтобы инициировать процесс ионизации. Как только плазма «зажжена», блок Тесла выключается.

Роль газа

Газ аргон ионизируется в сильном электромагнитном поле и течет по особому вращательно-симметричному образцу в направлении магнитного поля РЧ-катушки. В результате неупругих столкновений, создаваемых между нейтральными атомами аргона и заряженными частицами, генерируется стабильная высокотемпературная плазма около 7000 К.

Перистальтический насос доставляет водный или органический образец в аналитический распылитель, где он превращается в туман и вводится непосредственно в плазменное пламя. Образец немедленно сталкивается с электронами и заряженными ионами в плазме и сам распадается на последние. Различные молекулы делятся на свои соответствующие атомы, которые затем теряют электроны и многократно рекомбинируют в плазме, испуская излучение на характерных длинах волн участвующих элементов.

В некоторых конструкциях сдвиговый газ, обычно азот или сухой сжатый воздух, используется для «резки» плазмы в определенном месте. Одна или две передающие линзы затем используются для фокусировки излучаемого света на дифракционной решетке, где он разделяется на составляющие его длины волны в оптическом спектрометре.

В других конструкциях плазма падает непосредственно на оптический интерфейс, который состоит из отверстия, из которого выходит постоянный поток аргона, отклоняя ее и обеспечивая охлаждение. Это позволяет излучаемому свету из плазмы проникать в оптическую камеру.

В некоторых конструкциях используются оптические волокна для передачи части света в отдельные оптические камеры.

Оптическая камера

В ней, после разделения света на его различные длины волн (цвета), интенсивность измеряется с помощью фотоумножителя или трубок, физически расположенных для «просмотра» конкретной длины (длин волн) для каждой задействованной линии элементов.

В более современных устройствах разделенные цвета попадают на массив полупроводниковых фотоприемников таких, как устройства с зарядовой связью (ПЗС). В единицах, использующих эти матрицы детекторов, интенсивности всех длин волн (в пределах диапазона системы) можно измерять одновременно, что позволяет инструменту анализировать каждый элемент, к которому единица чувствительна в данный момент. Таким образом, образцы могут быть проанализированы очень быстро с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии.

Дальнейшая работа

Затем, после всего вышеописанного, интенсивность каждой линии сравнивают с ранее измеренными известными концентрациями элементов, а затем их скопление вычисляют путем интерполяции вдоль калибровочных линий.

Кроме того, специальное программное обеспечение обычно исправляет помехи, вызванные наличием различных элементов в данной матрице выборок.

Примеры применения ICP-AES включают определение металлов в вине, мышьяка в пищевых продуктах и микроэлементов, связанных с белками.

ICP-OES широко используется при переработке полезных ископаемых для предоставления данных по сортам различных потоков, для построения весов.

В 2008 году этот метод был использован в Ливерпульском университете для демонстрации того, что амулет Чи Ро, найденный в Шептон Маллет и ранее считающийся одним из самых ранних свидетельств христианства в Англии, датируется только девятнадцатым веком.

Назначение

ICP-AES часто используется для анализа микроэлементов в почве и по этой причине его применяют в судебно-медицинской экспертизе для выяснения происхождения образцов почвы, обнаруженных на месте преступления или у жертв и т. д. Хотя почвенное свидетельство может не быть единственным в суде, оно, безусловно, усиливает другие доказательства.

Он также быстро становится аналитическим методом выбора для определения уровня питательных веществ в сельскохозяйственных почвах. Эта информация затем используется для расчета количества удобрений, необходимых для максимизации урожайности и качества.

ICP-AES также используется для анализа моторного масла. Результат показывает, как работает двигатель. Части, которые изнашиваются в нем, оставят следы в масле, которые могут быть обнаружены с помощью ICP-AES. Анализ ICP-AES может помочь определить, не работают ли детали.

Читайте также:  Морфологический анализ растения одуванчик

Кроме того, он способен определить, какое количество присадок к масле остается, и, следовательно, указать, какой срок службы у него остается. Анализ масла часто используется управляющим автопарком или автолюбителями, которые заинтересованы в том, чтобы узнать, как можно больше о работе своего двигателя.

ICP-AES также используется при производстве моторных масел (и других смазочных средств) для контроля качества и соответствия производственным и отраслевым спецификациям.

Другой вид атомной спектроскопии

Атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) представляет собой спектроаналитическую процедуру количественного определения химических элементов с использованием поглощения оптического излучения (света) свободными атомами в газообразном состоянии. Она основана на поглощении света свободными ионами металлов.

В аналитической химии метод используется для определения концентрации конкретного элемента (аналита) в анализируемой пробе. AAS может использоваться для определения более 70 различных элементов в растворе или непосредственно в твердых образцах посредством электротермического испарения, и применяется в фармакологических, биофизических и токсикологических исследованиях.

Атомно-абсорбционная спектроскопия впервые была использована в качестве аналитического метода в начале XIX века, а основополагающие принципы были установлены во второй его половине Робертом Вильгельмом Бунзеном и Густавом Робертом Кирхгофом, профессорами Университета Гейдельберга, Германия.

История

Современная форма AAS была в значительной степени разработана в 1950-х годах группой австралийских химиков. Их возглавлял сэр Алан Уолш из Научно-промышленной исследовательской организации Содружества (CSIRO), Отдел химической физики, в Мельбурне, Австралия.

Атомно-абсорбционная спектрометрия имеет множество применений в различных областях химии, таких как клинический анализ металлов в биологических жидкостях и тканях, таких как цельная кровь, плазма, моча, слюна, ткани мозга, печени, волос, мышечной ткани, спермы, в некоторых процессах фармацевтического производства: мельчайшие количества катализатора, остающегося в конечном лекарственном продукте, и анализ воды на содержание металлов.

Схема работы

Техника использует атомный спектр поглощения образца, чтобы оценить концентрацию определенных аналитов в нем. Он требует стандартов с известным содержанием составляющих, чтобы установить связь между измеренной абсорбцией и их концентрацией, и поэтому основывается на законе Бера-Ламберта. Основные принципы атомно-эмиссионной спектроскопии именно таковы, как было перечислено выше в статье.

Коротко говоря, электроны атомов в атомизаторе могут быть переведены на более высокие орбитали (возбужденное состояние) за короткий период времени (наносекунды), поглощая определенное количество энергии (излучение данной длины волны).

Этот параметр поглощения является специфическим для конкретного электронного перехода в конкретном элементе. Как правило, каждая длина волны соответствует только одному элементу, а ширина линии поглощения составляет всего несколько пикометров (пм), что придает технике элементную селективность. Схема атомно-эмиссионной спектроскопии очень похожа на эту.

Источник

Атомно эмиссионный спектральный анализ

Атомно-эмиссионные спектрометры, которым посвящен настоящий сайт, реализуют в своей работе принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа (АЭСА). Эти приборы являются наиболее распространенными аналитическими приборами и в мире, и в нашей стране. Они предназначены для анализа (чаще всего элементного анализа) состава самых различных веществ в различных агрегатных состояниях.

Часто, особенно за рубежом, эти спектрометры называют оптико-эмиссионными спектрометрами (optical-emission spectrometers или OE-spectrometers). Такое название применяется, чтобы подчеркнуть отличие от рентгено-флуоресцентных спектрометров ( X-ray fluorescence spectrometers или XRF Spectrometers). Принцип действия последних также основан на регистрации эмиссионного спектра, но другого диапазона длин волн — рентгеновского, а не оптического. Везде в дальнейшем при употреблении общего названия «АЭ- спектрометр» всегда имеется ввиду именно оптико-эмиссионный спектрометр.

Также такие приборы иногда называют просто эмиссионными спектрометрами. Кроме того, широко используют названия, в которых явным образом обозначают тип применяемого источника возбуждения спектров.

  • Например, искровой или дуговой спектрометр для атомно-эмиссионного спектрометра с искровым или дуговым источником возбуждения спектров, соответственно.
  • Или ИСП-спектрометр (ICP Spectrometer или ICP) — это атомно-эмиссионный спектрометр с источником возбуждения спектров в виде т.н. индуктивно-связанной плазмы.
  • Для спектрометров с лазерными источниками возбуждения спектров используют названия лазерный или лазерно-искровой спектрометр.

Сущность атомно-эмиссионного спектрального анализа

Иногда спрашивают, относятся ли атомно-эмиссионные спектрометры к приборам для неразрушающего контроля.

Следы искрового спектрометра

Под неразрушающим контролем подразумевается такая процедура контроля свойств и параметров объекта, при которой не нарушается пригодность объекта к дальнейшему использованию и эксплуатации.

С другой стороны, например, ИСП-спектрометры в классическом своем варианте применяются для спектрального анализа проб в жидкой фазе. Поэтому спектральный анализ на этих приборах твердых проб требует их предварительного химического растворения, т.е. разрушения. Но если применять для анализа твердых проб ИСП-спектрометры, оснащенные искровым или лазерным аблятором, то такой комбинированный АЭ- спектрометр уже можно снова отнести к приборам для неразрушающего контроля.

Методы и принципы

Атомно-эмиссионный спектральный анализ состава вещества, в свою очередь, основан на двух фундаментальных принципах:

  1. спектр, испускаемый предварительно возбужденными атомами и ионами данного химического элемента, строго индивидуален (т.е. характерен только для данного химического элемента);
    Рисунки иллюстрируют, насколько сильно отличаются друг от друга спектры различных элементов (в данном примере это алюминий, медь, вольфрам и железо).

    По оси ординат — интенсивность I в условных единицах. По оси абсцисс — длина волны λ в нанометрах, спектральный диапазон 172-441 нм. Спектры сняты на искровом спектрометре.
    Эмиссионный спектр алюминия Спектр алюминия.
    Образец — алюминиевый деформируемый марки АД31,
    содержание Al около 98%
    Эмиссионный спектр меди Спектр меди.
    Спектр снят со стандартного образца VSM14-4,
    содержание Cu около 99,95%
    содержанием W около 90%’ rel=»lightbox-aes»>Эмиссионный спектр вольфрамового сплава Спектр вольфрамового сплава.
    Образец — сплав вольфрама
    с содержанием W около 90%
    Эмиссионный спектр железа Спектр железа.
    Спектр снят со стандартного образца углеродистой низколегированной стали УГ2и,
    содержание Fe около 99,5%
  2. интенсивность линий этого спектра зависит от концентрации этого элемента, определение которой и является целью анализа.
    На рисунке представлены спектры четырех стандартных образцов инструментальной стали с разной концентрацией молибдена, наложенные друг на друга для наглядности. Четко видно, что аналитическая линия молибдена имеет разную интенсивность (высоту) на всех спектрах. Причем, чем больше концентрация молибдена, тем выше интенсивность аналитической линии.
    Образцы: РГ15 (Mo-5,74%), РГ14 (Mo-2,23%), РГ18 (Mo-1,15%), РГ13 (Mo-0,254%).
    Линия Мо-368,410 нм, участок спектра шириной 0,6 нм.
    Линия молибдена 368,410 нм, участок спектра шириной 0,6 нм.

Спектр представляет собой распределение мощности излучения по длинам волн и характеризуется зависимостью интенсивности от длины волны I(\lambda).

Для получения эмиссионного спектра атомам анализируемого вещества необходимо придать дополнительную энергию так, чтобы электроны перешли на более высокие орбиты, т.е. перевести атомы в «возбужденное» состояние. (Термин «возбужденное» состояние является устоявшимся в атомно эмиссионном спектральном анализе и далее будет применяться без кавычек).

С этой целью анализируемую пробу вводят в источник возбуждения спектров, где она подвергается абляции (т.е. «вырыванию» с поверхности микрочастиц), нагреву и испарению. Источник возбуждения спектров тем или иным способом формирует насыщенную энергией область пространства с достаточно высокой температурой.

Попавшие в эту высокотемпературную область пространства микрочастицы анализируемой пробы распадаются на атомы. Эти атомы пробы при столкновениях с другими частицами переходят в возбужденное и ионизированное состояния. В таком состоянии атомы и ионы могут находиться очень короткое время (10 -8 – 10 -7 с). Самопроизвольно возвращаясь в нормальное или промежуточное состояние, они испускают избыточную энергию в виде фотонов, совокупность которых и образует эмиссионный спектр.

Измеряя интенсивность линий спектра атомов (или ионов) того или иного химического элемента, определяют концентрацию этого химического элемента в анализируемой пробе. Читать дальше ›

Источник

Атомно-эмиссионная спектроскопия (атомно-эмиссионный спектральный анализ): основные звенья, схема, назначение

Атомно-эмиссионная спектроскопия (AES) — это метод химического анализа, в котором для определения количества элемента в образце используется интенсивность света, излучаемого пламенем, плазмой, дугой или искрой на определенной длине волны.

Длина волны атомной спектральной линии дает идентичность элемента, в то время как интенсивность излучаемого света пропорциональна количеству атомов элемента. В этом и суть атомно-эмиссионной спектроскопии. Она позволяет анализировать элементы и физические явления с безупречной точностью.

Спектральные методы анализа

Образец материала (аналита) вводится в пламя в виде газа, распыленного раствора или с помощью небольшой петли из проволоки, обычно платины. Тепло от пламени испаряет растворитель и разрушает химические связи, создавая свободные атомы. Тепловая энергия также переводит последние в возбужденные электронные состояния, которые впоследствии излучают свет, когда они возвращаются к прежней форме.

Каждый элемент излучает свет с характерной длиной волны, которая рассеивается с помощью решетки или призмы и обнаруживается в спектрометре. Прием, который чаще всего используется в этом методе, — это диссоциация.

Частым применением измерения выбросов с пламенем является регулирование щелочных металлов для фармацевтической аналитики. Для этого используется метод атомно-эмиссионного спектрального анализа.

Индуктивно-связанная плазма

Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-AES), также называемая оптической эмиссионной спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES), является аналитическим методом, используемым для обнаружения химических элементов.

Это тип эмиссионной спектроскопии, в котором используется индуктивно связанная плазма для получения возбужденных атомов и ионов, которые испускают электромагнитное излучение на длинах волн, характерных для конкретного элемента. Это метод пламени с температурой в диапазоне от 6000 до 10000 К. Интенсивность этого излучения указывает на концентрацию элемента в образце, используемом при применении спектроскопического метода анализа.

Основные звенья и схема

ICP-AES состоит из двух частей: ICP и оптического спектрометра. Факел ICP состоит из 3 концентрических кварцевых стеклянных трубок. Выходная или «рабочая» катушка радиочастотного (РЧ) генератора окружает часть этой кварцевой горелки. Газ аргон обычно используется для создания плазмы.

Когда горелка включена, внутри катушки создается сильное электромагнитное поле с помощью мощного радиочастотного сигнала, протекающего в ней. Этот РЧ-сигнал создается РЧ-генератором, который, по сути, является мощным радиопередатчиком, который управляет «рабочей катушкой» так же, как обычный радиопередатчик управляет передающей антенной.

Типичные инструменты работают на частоте 27 или 40 МГц. Газ аргон, протекающий через горелку, зажигается с помощью блока Тесла, который создает короткую разрядную дугу в потоке аргона, чтобы инициировать процесс ионизации. Как только плазма «зажжена», блок Тесла выключается.

Роль газа

Газ аргон ионизируется в сильном электромагнитном поле и течет по особому вращательно-симметричному образцу в направлении магнитного поля РЧ-катушки. В результате неупругих столкновений, создаваемых между нейтральными атомами аргона и заряженными частицами, генерируется стабильная высокотемпературная плазма около 7000 К.

Перистальтический насос доставляет водный или органический образец в аналитический распылитель, где он превращается в туман и вводится непосредственно в плазменное пламя. Образец немедленно сталкивается с электронами и заряженными ионами в плазме и сам распадается на последние. Различные молекулы делятся на свои соответствующие атомы, которые затем теряют электроны и многократно рекомбинируют в плазме, испуская излучение на характерных длинах волн участвующих элементов.

В некоторых конструкциях сдвиговый газ, обычно азот или сухой сжатый воздух, используется для «резки» плазмы в определенном месте. Одна или две передающие линзы затем используются для фокусировки излучаемого света на дифракционной решетке, где он разделяется на составляющие его длины волны в оптическом спектрометре.

В других конструкциях плазма падает непосредственно на оптический интерфейс, который состоит из отверстия, из которого выходит постоянный поток аргона, отклоняя ее и обеспечивая охлаждение. Это позволяет излучаемому свету из плазмы проникать в оптическую камеру.

В некоторых конструкциях используются оптические волокна для передачи части света в отдельные оптические камеры.

Оптическая камера

В ней, после разделения света на его различные длины волн (цвета), интенсивность измеряется с помощью фотоумножителя или трубок, физически расположенных для «просмотра» конкретной длины (длин волн) для каждой задействованной линии элементов.

В более современных устройствах разделенные цвета попадают на массив полупроводниковых фотоприемников таких, как устройства с зарядовой связью (ПЗС). В единицах, использующих эти матрицы детекторов, интенсивности всех длин волн (в пределах диапазона системы) можно измерять одновременно, что позволяет инструменту анализировать каждый элемент, к которому единица чувствительна в данный момент. Таким образом, образцы могут быть проанализированы очень быстро с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии.

Дальнейшая работа

Затем, после всего вышеописанного, интенсивность каждой линии сравнивают с ранее измеренными известными концентрациями элементов, а затем их скопление вычисляют путем интерполяции вдоль калибровочных линий.

Кроме того, специальное программное обеспечение обычно исправляет помехи, вызванные наличием различных элементов в данной матрице выборок.

Примеры применения ICP-AES включают определение металлов в вине, мышьяка в пищевых продуктах и микроэлементов, связанных с белками.

ICP-OES широко используется при переработке полезных ископаемых для предоставления данных по сортам различных потоков, для построения весов.

В 2008 году этот метод был использован в Ливерпульском университете для демонстрации того, что амулет Чи Ро, найденный в Шептон Маллет и ранее считающийся одним из самых ранних свидетельств христианства в Англии, датируется только девятнадцатым веком.

Назначение

ICP-AES часто используется для анализа микроэлементов в почве и по этой причине его применяют в судебно-медицинской экспертизе для выяснения происхождения образцов почвы, обнаруженных на месте преступления или у жертв и т. д. Хотя почвенное свидетельство может не быть единственным в суде, оно, безусловно, усиливает другие доказательства.

Он также быстро становится аналитическим методом выбора для определения уровня питательных веществ в сельскохозяйственных почвах. Эта информация затем используется для расчета количества удобрений, необходимых для максимизации урожайности и качества.

ICP-AES также используется для анализа моторного масла. Результат показывает, как работает двигатель. Части, которые изнашиваются в нем, оставят следы в масле, которые могут быть обнаружены с помощью ICP-AES. Анализ ICP-AES может помочь определить, не работают ли детали.

Кроме того, он способен определить, какое количество присадок к масле остается, и, следовательно, указать, какой срок службы у него остается. Анализ масла часто используется управляющим автопарком или автолюбителями, которые заинтересованы в том, чтобы узнать, как можно больше о работе своего двигателя.

ICP-AES также используется при производстве моторных масел (и других смазочных средств) для контроля качества и соответствия производственным и отраслевым спецификациям.

Другой вид атомной спектроскопии

Атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) представляет собой спектроаналитическую процедуру количественного определения химических элементов с использованием поглощения оптического излучения (света) свободными атомами в газообразном состоянии. Она основана на поглощении света свободными ионами металлов.

В аналитической химии метод используется для определения концентрации конкретного элемента (аналита) в анализируемой пробе. AAS может использоваться для определения более 70 различных элементов в растворе или непосредственно в твердых образцах посредством электротермического испарения, и применяется в фармакологических, биофизических и токсикологических исследованиях.

Атомно-абсорбционная спектроскопия впервые была использована в качестве аналитического метода в начале XIX века, а основополагающие принципы были установлены во второй его половине Робертом Вильгельмом Бунзеном и Густавом Робертом Кирхгофом, профессорами Университета Гейдельберга, Германия.

История

Современная форма AAS была в значительной степени разработана в 1950-х годах группой австралийских химиков. Их возглавлял сэр Алан Уолш из Научно-промышленной исследовательской организации Содружества (CSIRO), Отдел химической физики, в Мельбурне, Австралия.

Атомно-абсорбционная спектрометрия имеет множество применений в различных областях химии, таких как клинический анализ металлов в биологических жидкостях и тканях, таких как цельная кровь, плазма, моча, слюна, ткани мозга, печени, волос, мышечной ткани, спермы, в некоторых процессах фармацевтического производства: мельчайшие количества катализатора, остающегося в конечном лекарственном продукте, и анализ воды на содержание металлов.

Схема работы

Техника использует атомный спектр поглощения образца, чтобы оценить концентрацию определенных аналитов в нем. Он требует стандартов с известным содержанием составляющих, чтобы установить связь между измеренной абсорбцией и их концентрацией, и поэтому основывается на законе Бера-Ламберта. Основные принципы атомно-эмиссионной спектроскопии именно таковы, как было перечислено выше в статье.

Коротко говоря, электроны атомов в атомизаторе могут быть переведены на более высокие орбитали (возбужденное состояние) за короткий период времени (наносекунды), поглощая определенное количество энергии (излучение данной длины волны).

Этот параметр поглощения является специфическим для конкретного электронного перехода в конкретном элементе. Как правило, каждая длина волны соответствует только одному элементу, а ширина линии поглощения составляет всего несколько пикометров (пм), что придает технике элементную селективность. Схема атомно-эмиссионной спектроскопии очень похожа на эту.

Источник