Спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой

Атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП, англ. IСP-AES), разработанная в начале 60-х гг.,. Индукционная аргоновая плазма - эффективный источник атомной эмиссии, который в принципе может быть использован для анализа всех элементов, кроме аргона. Пределы обнаружения, как правило, очень низки: при непрерывном введении пробы в плазму для многих элементов они составляют 1-100 мкг/л. В спектре присутствует много линий различной интенсивности для каждого элемента, поэтому ИСП пригодна для измерения любых концентраций: от ультрамалых до макросодержаний. Если использовать ИСП с подходящим спектрометром, возможно одновременное определение большого числа элементов. Полный многоэлементный анализ может быть выполнен всего за 30 секунд при расходе раствора пробы в 0,5 мл.

Метод пригоден не для всех элементов. Например, работа с нестабильными элементами требует специальных мер защиты от радиоактивных отходящих газов плазмы. Для анализа фтора, хлора и брома необходима специальная оптика, прозрачная для ультракоротковолнового диапазона длин волн. Некоторые элементы (например, азот и рубидий) фиксируются с довольно плохой чувствительностью, и обычные их содержания методом ИСП измерить нельзя. ИСП - разрушающий метод. Аналит, как правило, должен быть переведен в раствор, что само по себе сужает круг одновременно определяемых элементов. Однако, так как в настоящее время практически все системы ИСП укомплектованы управляющими компьютерами, сочетание разносторонних возможностей метода с эксплуатационными удобствами можно считать достигнутым.

Индуктивно связанная плазма представляет собой газ, в котором атомы находятся в ионизированном состоянии. Мощность передается газам плазмы путем индукционного разогрева. Газообразный аргон непрерывно поступает в плазменную горелку, размещенную внутри двух- или трехвитковой индукционной катушки, по которой течет переменный ток высокой частоты. Электропроводящий ионизованный газ играет роль вторичной обмотки трансформатора. При прохождении потока заряженных частиц (ионизированного газа) сквозь катушку, по которой, пересекая силовые линии магнитного поля, течет ток высокой частоты, происходит Джоулев, или омический разогрев. Такое взаимодействие (или индуктивная связь) пульсирующего магнитного поля с текущим газом создает «пламя» ИСП. Первоначальная проводимость газа при его протекании сквозь катушку создается искрой Тесла, и уже за счет индукционного разогрева текущего газа поддерживается «горение» плазмы при температуре 6000-10000 К.

Возбуждаемый материал проходит по центральному каналу и разогревается до температуры около 8000 К, при которой достигаются практически полная атомизация, высокая степень возбуждения атомов и частичная ионизация.

Испускаемое атомами элемента в ИСП излучение должно быть преобразовано в электрический сигнал, который можно количественно измерить. Это осуществляется путем разложения излучения (почти всегда дифракционной решеткой) на компоненты с последующим измерением интенсивности излучения фотоумножителем на длине волны, характерной для линии каждого элемента. В установках ИСП широко используются два типа спектрометров: полихроматоры и сканирующие монохроматоры. Полихроматором все линии (каналы) измеряют одновременно, а сканирующий монохроматор служит для последовательного измерения элементов, при этом выбор линий неограничен, но анализ более длителен, если для каждого элемента время накопления сигнала одинаково. Интенсивность полученного сигнала сравнивается с предварительно измеренной интенсивностью для раствора элемента известной концентрации; по этим измерениям рассчитывается искомая концентрация.

Объем, требующийся для анализа методом ИСП с непрерывным распылением, составляет 1-3 мл раствора в случае одновременного анализа. Навеска пробы, необходимая для приготовления такого объема раствора, очень мала. Ограничения такого подхода связаны с трудностями точного взвешивания пробы и в особенности с тем, насколько малая навеска пробы (менее 1-10 мг) может считаться представительной относительно первоначальной массы пробы.

Данный метод позволяет определять практически все элементы периодической системы, за исключением аргона.. С помощью ИСП нетрудно получить концентрации десяти элементов, обычно представляемых в оксидной форме при силикатном анализе (SiO2, Al2O3, Fe2Оз, MgO, СаО, Na2О, К2О, TiO2, MnO, Р2О5). Чувствительность их определения, исключая К2О и Р2О5, такова, что при необходимости можно установить содержание ниже 0,01 % (что меньше требуемого обычно нижнего предела их содержания в породе).

Многие элементы, присутствующие в следовых концентрациях (Li, Sr, Ва, Sc, Y, La, Zr, V, Nb, Cr, Co, Ni, Сu и Zn), измеряются в массовом ИСП-анализе без каких-либо затруднений. Бериллий выделяется при содержаниях, меньших 1 мкг/г, а некоторые другие элементы (Мо, Au, Cd и Hg), если их содержание выше уровня «фоновой» концентрации (например, в минерализованных пробах). Свинец при его нормальном содержании в силикатах (менее 20-40 мкг/г), не фиксируется, но его содержание может быть измерено в минерализованных пробах. Пределы обнаружения Sn, W, U и Th неудовлетворительны, так как можно измерить только концентрации выше 50 мкг/г. Редкоземельные элементы можно определять при их содержании ниже 1 мкг/г, если использовать методы предварительного концентрирования.

Дата добавления: 2014-01-20