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.

Дата добавления: 2014-01-20