Атомно-абсорбционная, атомно-эмиссионная и атомно-флуоресцентная спектрометрия

1.5.1 Атомные спектры

Если анализируемое вещество находится при обычных температуре и давлении в конденсированной фазе, то его спектральные свойства сильно отличаются от свойств составляющих его индивидуальных атомов. Когда исследуемое вещество находится в атомарном состоянии, не происходит взаимодействие внешних электронов с электронными оболочками других атомов, поэтому энергетические уровни не сливаются в один и, как следствие, вещество имеет спектр поглощения или испускания в виде узких полос - спектральных линий. Наиболее отчетливо все свойства индивидуальных атомов проявляются, если они находятся в газовой фазе при небольших давлениях.

Количество спектральных линий, относящихся к одному атому, достаточно велико. Наиболее детальные и полные сведения о спектрах атомов практически всех элементов периодической таблицы можно найти в соответствующих справочных изданиях, где приведены таблицы спектральных линий с указанием их положения и относительной интенсивности. Следует отметить, однако, что данные таблицы составлены по спектрам, возникающим при использовании для их возбуждения дугового или искрового разряда. Применение иных источников возбуждения может привести к появлению других линий и иному соотношению интенсивностей.

Спектры излучения или поглощения свободных атомов лежат в основе трех тесно связанных видов спектрального анализа: атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного и атомно-флуоресцентного.

Атомно - эмиссионный спектральный анализ

Эмиссионный спектральный анализ включает ряд методов и модификаций, основанных на регистрации излучения определенного спектрального диапазона, испускаемого атомами и ионами химических элементов при энергетическом воздействии на вещество. Основные преимущества эмисионного спектрального анализа, такие как универсальность, высокая чувствительность, хорошая точность и экспрессность определения, обусловили широкое распространение метода при анализе почв, растений и других объектов на микроэлементы.

Разработаны два варианта атомно-эмиссионного анализа, отличающиеся способом регистрации выходного аналитического сигнала: спектрографический и спектрометрический. Первый метод основан на фотографировании спектров на фотопластинку или пленку (использовался с 30-х годов и в настоящее время является устаревшим), второй - на измерении интенсивности спектральных линий с помощью фотоэлементов и фотоумножителей (применяется, начиная с 50-х годов).

Одним из наиболее ранних является метод, в котором в качестве источника возбуждения спектра применялась электрическая дуга, а для регистрации использовалась фотопластинка. Метод отличался возможностью одновременного определения большого числа химических элементов, простотой и быстротой выполнения анализа, отсутствием необходимости перевода твердых проб в раствор (при определении очень низких уровней содержания металлов концентрирование применялось) требовал использования сравнительно недорогого оборудования, выпускавшегося отечественной промышленностью. Достоинства: позволяет определять одновременно несколько элементов в одном образце (многоэлементный параллельный), экспрессность, высокая производительность, низкие пределы обнаружения. К недостаткам метода следует отнести тот факт, что чувствительность определения таких элементов, как цинк, кобальт, молибден, кадмий, ртуть и др. соизмерима или на один - два порядка ниже средних значений их массовых долей в почве и биологических объектах. Поэтому надежное определение содержания многих элементов невозможно без предварительного концентрирования, что снижает основные достоинства прямого эмиссионного спектрального анализа. Кроме того, по наличию спектральных линий можно было установить одновременное наличие в объекте большой группы химических элементов (до 70 элементов) анализом малой пробы, но дальнейший переход от интенсивности спектральной линии к концентрации элемента был связан с большими трудностями обсчета спектрограмм и вносил неточность и неопределенность в результаты анализа. Сложности возникали также при подготовке объекта к анализу, приготовлении эталонов, введении пробы в источник возбуждения и подборе параметров анализа. Поэтому использование спектрографического метода в дальнейшем значительно сократилось. Спектрографические методы широко использовались при определении химических элементов в почвах, растениях и других биологических объектах, но затем в значительной степени были вытеснены другими модификациями эмиссионно-спектрального анализа и атомно-абсорбционной спектрофотометрией.

Простейшим вариантом атомно-эмиссионного спектрофотометрического анализа является метод фотометрии пламени, основанный на непосредственном измерении интенсивности излучения атомов в пламени. Анализируемый раствор распыляют в пламя, где вещество превращается в атомный пар. В пламени происходит термическое возбуждение атомов и молекул, которые затем переходят в основное состояние с испусканием квантов света. Относительно невысокая температура пламени позволяет получать более простые эмиссионные спектры, но ограничивает перечень определяемых элементов, так как для некоторых из них температуры пламени недостаточно для возбуждения спектра.

Атомизатор

Детектор

Монохроматор

Рис.14.

Излучение находящихся в пламени частиц анализируется с помощью спектрального прибора. Монохроматизированный свет детектируется с помощью фотоэлемента или ФЭУ, которые преобразуют энергию излучения в электрический сигнал. После усиления фототока регистрирующее устройство измеряет аналитический сигнал. Вследствие своей экспрессности метод фотометрии пламени имеет большие преимущества при массовом анализе самых разнообразных объектов на содержание щелочных и щелочноземельных элементов (натрий, калий, кальций, стронций). Метод получил широкое распространение в медицине, биологии и агрохимии. Производительность его средняя и ограничиваетсяпределяется пробоподготовкой, так как необходим перевод пробы в раствор.

Работа по развитию методов, использующих основное преимущество эмиссионного спектрального метода - групповое определение микроэлементов единичным анализом, продолжается. С усовершенствованием аппаратуры, источников возбуждения спектра, с оптимизацией и стандартизацией условий проведения анализа расширяется число определяемых химических элементов, повышается чувствительность и точность спектрального анализа. С помощью пламенной фотометрии можно определять 30 - 40 элементов на уровне концентраций от n ∙10^-4 до n ∙10^-1 % с погрешностьюошибкой 1 ÷ 10%

Эмиссионный спектральный анализ, как и все остальные методы, является относительным, т.е. требует применения стандартных образцов химического состава, близких по составу к анализируемой пробе. Это обусловлено влиянием основы пробы на результаты анализа.

В последнее время все большее распространение приобретает эмиссионный спектральный анализ с индуктивно связанной плазмой в качестве источника возбуждения спектра. При этом жидкий образец в виде аэрозоля поступает с газом-носителем в плазменную горелку, а энергия, необходимая для возбуждения спектра, передается плазме через индуктивную связь. Достоинства метода - отсутствие контакта между образцом и пламенем, очень высокая температура (8000 °С), отсутствие влияния основы и высокая точность анализа. Этот метод позволил снизить пределы обнаружения ряда элементов до n∙10^-6 %. В настоящее время появились коммерческие приборы - квантометры с плазменной горелкой с индуктивно-связанной плазмой, которые позволяют проводить как последовательный одноэлементный анализ, так и одновременный многоэлементный анализ. Производительность такого прибора 80-100 проб в день с одновременным определением до 40-70 элементов в каждой пробе. Встроенная ЭВМ автоматически рассчитывает концентрации и управляет работой прибора. Чувствительность таких методов также относительно высока (0,01-0,05 мкг/мл). Высокочастотная плазменная спектрометрия имеет еще одно важное преимущество перед другими методами - это возможность получить градуировочные графики, охватывающие до пяти порядков изменения концентрации определяемых элементов.

Благодаря этим достоинствам эмиссионный спектральный анализ с высокочастотной индуктивно-связанной плазмой стал одним из наиболее перспективных методов определения тяжелых металлов в природных объектах. Имеется лишь одно существенное ограничение - это невозможность анализа объектов биосферы (за исключением вод) без предварительной подготовки (озоления, растворения и т.д.). Пробы вводятся в плазму пока в основном из растворов, однако ведутся методические разработки введения проб из твердых образцов (порошков) и суспензий.

1.5.2 Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС)

Энергии пламени недостаточно для возбуждения спектральной эмиссии многих элементов. Но если осветить атомные пары, образующиеся в пламени, дополнительным источником света, то возникает линейчатый спектр атомного поглощения - атомной абсорбции. Атомно-абсорбционная спектрометрия - аналитический метод определения содержания элементов, основанный на способности свободных атомов поглощать световую энергию только в характерном для конкретного атома диапазоне. Атомы элемента, находящиеся в невозбужденном стабильном состоянии, способны поглощать световую энергию определенной длины волны, переходя из нижнего (основного) состояния в верхнее - возбужденное. В результате облучения атомного пара светом возникает сравнительно небольшое число линий поглощения. Их называют резонансными и используют в качестве аналитических. В условиях термического равновесия поглощение света в пламени зависит от соотношения атомов, находящихся в возбужденном и основном состояниях, которое определяется формулой Больцмана:

где N_m и N_n - число атомов в возбужденном и основном состояниях;

g_m и g_n - статистический вес рассматриваемых состояний;

E_m и E_n - соответствующие энергетические состояния атомов;

k - постоянная Больцмана, равная 1.38∙10²³ Дж/К;

Т - температура пара, К.

При температурах от 2000 до 5000 К отношение числа атомов, находящихся в возбужденном состоянии, к числу атомов в основном состоянии очень мало. Поэтому число атомов, способных поглощать резонансное излучение и на короткие периоды времени (порядка нескольких наносекунд) переходить с низшего уровня на более высокие энергетические уровни, будет практически равно общему числу атомов определяемого элемента. В отличие от эмиссионного спектрального анализа, где небольшие колебания температуры значительно изменяют концентрацию возбужденных атомов, в атомно-абсорбционном методе число атомов, способных поглощать энергию первичного источника излучения, мало изменяется с температурой. Каждому элементу соответствует свой набор спектральных линий, интенсивность которых измеряется при помощи специальных приборов.

Закон поглощения света атомами в пламени аналогичен закону светопоглощения в молекулярной спектрофотометрии и характеризуется экспоненциальным убыванием интенсивности проходящего света I в зависимости от длины пламени l и концентрации С. В определенном интервале концентраций поглощение света атомами подчиняется закону Ламберта-Бугера-Бера:

D = ln (I₀/I) = kcl,

где k - коэффициент поглощения (абсорбции),

с - концентрация определяемого элемента в поглощающем слое.

D - оптическая плотность поглощающей среды, в данном контексте ее называют абсорбцией А.

При фиксированной толщине поглощающего слоя и выбранной для данного элемента длине волны проходящего излучения величина адсорбции линейно зависит от концентрации определяемого элемента.

Теоретический расчет концентрации по измеренной оптической плотности атомного пара пока невозможен из-за неполноты испарения растворенного вещества и неполной диссоциации на атомы оксидов и гидроксидов большинства элементов. Поэтому при измерении концентрации элемента в растворе предварительно строят калибровочный график в координатах D - C, исходя из экспериментальных данных по серии стандартных растворов. Прямолинейная зависимость абсорбции D от концентрации атомов в растворе сохраняется при отсутствии влияния посторонних элементов на поглощение, а также при низких значениях содержания анализируемого элемента. По мере увеличения концентрации кривая калибровочного графика склоняется к оси абсцисс.

Впервые метод был предложен в 1955 г. австралийским ученым Аланом Уолшем, а в 1962 году основанная им фирма Techtron (отделение оптических спектральных приборов фирмы Varian) выпустила первый в мире серийный атомно-абсорбционный спектрофотометр АА-2. Особенно интенсивное развитие метода начинается с конца 60-х годов.

Преимущества метода: высокая селективность, низкие пределы обнаружения, хорошая воспроизводимость, возможность определения нескольких элементов из одного раствора, высокая производительность. Метод ААС является наиболее чувствительным (десятые доли мкг/кг) и точным (относительная погрешность не хуже ±2%) методом определения содержания тяжелых металлов практически во всех объектах окружающей среды и биологических образцах.

Недостатки:

· необходимость переведения анализируемого образца в раствор (пробоподготовка заключается в предварительной минерализации образцов и переводу остатка в раствор и занимает несколько часов). Время такой подготовки в несколько раз превышает продолжительность атомно-абсорбционных измерений;

· узкий диапазон линейности и, соответственно, необходимость разбавления или концентрирования растворов перед измерением;

· при необходимости одновременного определения нескольких элементов для каждого из них требуется отдельный источник света определенного спектрального состава, т.е. метод многоэлементный последовательный;

· невозможность определения некоторых элементов, резонансные линии которых лежат за пределами спектрального диапазона современных спектрометров, составляющего для большинства приборов 190 - 900 нм. К таким элементам относятся галогены, азот, кислород, сера и ряд других.

Для определения As, Se и Hg обычные атомно-абсорбционные методы не подходят из-за малой концентрации этих элементов в биологических объектах. Для обеспечения более высокой чувствительности определения этих элементов используются специальные методы пробоподготовки [5].

Кроме пламени, для перевода вещества в атомный пар могут использоваться и другие способы, в частности, электротермические (графитовые печи) и лазерные атомизаторы. Применение различных способов атомизации преследует одну цель - расширить круг определяемых элементов, снизить пределы обнаружения и повысить точность анализа. Развитие атомно-абсорбционного спектрального анализа в последние годы шло по двум направлениям: совершенствование методов определения в растворах (пламенный вариант метода) и развитие методов анализа твердых образцов (беспламенный вариант метода). В отечественных и зарубежных научно-технических публикациях накоплен чрезвычайно большой объем информации, касающейся различных аспектов использования метода атомно-абсорбционной спектрофотометрии, включая методы подготовки проб различных объектов к анализу, концентрирования элементов, способы устранения мешающего влияния состава матрицы проб на результаты измерений, методик измерений и т.п.

Сопоставление средних содержаний микроэлементов в биологических объектах и пределов их обнаружения на серийных приборах в пламенном и беспламенном вариантах показывает возможность прямого атомно-абсорбционного спектрального определения практически всех биологически важных элементов. С помощью метода атомной абсорбции можно анализировать, по существу, все объекты биологии, агрохимии, почвоведения и медицины. Общее число элементов, которое можно определять этим методом, более 70. Пределы обнаружения составляют 10 Е-1 - 10 Е-4% для пламени и 10 Е-1 - 10 Е-7 % для непламенных атомизаторов. Метод является одноэлементным, последовательным, но в случае применения многоэлементных ламп и полихроматоров может использоваться и как многоэлементный. Лучшие коммерческие атомно-абсорбционные спектрофотометры оснащены микропроцессорным управлением, что повышает точность анализа.

Для пламенного варианта (анализ в растворах) характерны высокая воспроизводимость результатов (при рутинном анализе 2-3%, при прецизионном - до 0,2%), сравнительная простота приготовления эталонных растворов при малых концентрациях определяемых элементов, возможность применения методов концентрирования в растворах, высокая чувствительность. Вместе с тем, следует отметить значительное влияние химического состава проб на результаты анализа. Устранение влияний - наиболее сложная и трудоемкая задача при разработке конкретных методик определения микроэлементов в различных объектах.

Предварительная экстракция не только повышает чувствительность атомно-абсорбционного метода на 1-2 порядка, но и устраняет мешающее влияние макроэлементов. Последнее обстоятельство особенно важно при анализе почв, растений, так как растворы после кислотного разложения этих объектов имеют сложный химический состав и характеризуются преобладанием ряда макроэлементов (Fe, AL, Ca, K, Mg). Для устранения влияния состава проб применяют буферирование растворов различными реагентами.

По сравнению с анализом в пламени применение термических атомизаторов снижает на 2-3 порядка предел обнаружения микроэлементов. Такая чувствительность дает возможность прямого определения, например, общего содержания Pb, Cd в почвах после их кислотного разложения, а также прямое определение элементов в образцах без предварительной подготовки (растворение). Для определения элементов методом графитовой кюветы требуется очень небольшая масса материала (от 1 до 20 мкл или 1-10 мкг).

Производительность метода определяется временем, затрачиваемым на пробоподготовку (перевод анализируемого вещества в раствор).

Оборудование, выпускаемое в России: атомно-абсорбционный спектрометр КВАНТ-АФА, пламенный (до 70 элементов с чувствительностью 0.05-10⁴ мг/кг и ошибкой 2%); КВАНТ-Z.ЭТА, электротермический (чувствительность 5´10^-4 - 10⁴ мкг/кг). Атомно-абсорбционные спектрофотометры могут работать также и в режиме эмиссии.

1.5.3 Спектральные источники света

Источником резонансного излучения в атомно-абсорбционном анализе являются специальные лампы с полым катодом или шариковые лампы, помещенные в высокочастотный генератор.

Лампы с полым катодом. Свечение в полом катоде является одной из форм тлеющего разряда и возникает при небольшом давлении рабочего газа (от нескольких единиц до 20 мм рт. ст.) в полости катода, выполненного в виде полого цилиндра, при наложении потенциала. Анод выполняется в виде проволоки или штыря из вольфрама или циркония. Баллон лампы заполняется инертным газом (аргоном или неоном). Разряд поддерживается при небольшом разрядном токе порядка 10-30 мА. Сама трубка лампы выполняется из молибденового стекла, окно - из кварца, пропускающего УФ- излучение, а электроды - из металла. Причем катод изготавливается из анализируемого металла или его сплава. Спектр свечения лампы с полым катодом состоит из линий материала катода, внесенных в него веществ и линий наполняющего лампу газа (аргон, неон).

Лампы с полым катодом благодаря высокой интенсивности излучения, малой ширине линий, хорошим метрологическим характеристикам (отношению сигнал/шум) являются основным источником резонансного излучения света в атомно-абсорбционном и атомно-флуоресцентном методах анализа. В настоящее время выпускаются лампы с полым катодом для определения 60-70 элементов. Наряду с одноэлементными изготавливаются и многоэлементные лампы, катод которых выполняется из сплавов нескольких элементов. Это позволяет экономить время, но многоэлементные лампы имеют более низкую интенсивность излучения и более короткое время жизни по сравнению с одноэлементными.

Аналитические характеристики и срок службы ламп с полым катодом зависят от режима питания, рода наполняющего газа и его давления, конструкции полого катода.

Применение в качестве источников света лазеров с перестраиваемой частотой монохроматического излучения является перспективным, но в настоящее время еще находится на стадии отдельных научно-технических разработок.

1.5.4 Атомно-флуоресцентная спектрометрия

По физической природе к атомно-абсорбционному методу анализа близок атомно-флуоресцентный метод. Сам процесс атомной флуоресценции вытекает из процесса атомного поглощения, поэтому ему свойственны те же недостатки, что и атомно-абсорбционному методу. Кроме того, существенную роль в атомной флуоресценции играет рассеивание излучения и тушение флуоресценции, полностью избежать которых можно, только применяя лазер в качестве просвечивающего источника.

Атомно-флуоресцентная спектрометрия позволяет определять различные элементы на основе переизлучения световой энергии, поглощенной свободными атомами. Флуоресценцией называется сверхравновесное испускание атомами и молекулами электромагнитного излучения после их возбуждения квантами света, т.е. после поглощения ими энергии излучения. Флуоресценция возбуждается только при определенных дискретных значениях длин волн, специфичных для данного соединения. Длина волны испускаемого излучения также определяется химическим строением вещества.

Флуоресценция называется резонансной, если испускаемый системой квант в точности равен поглощенному кванту, и нерезонансной (смешанная, стоксовая, антистоксовая), если квант излучения, испускаемый системой, не равен поглощенному кванту.

Атом, поглотивший квант света и перешедший в возбужденное состояние, может потерять энергию или в результате столкновений с другими атомами или молекулами (дезактивация при столкновениях, тушение), или в результате испускания кванта излучения. Отношение значения энергии, выделившейся в виде квантов света, к значению поглощенной энергии называется энергетическим квантовым выходом. Отношение числа квантов, испускаемых возбужденным атомом, к числу поглощенных называется квантовым выходом j. Яркость флуоресценции зависит от яркости источника возбуждения. Количество поглощенной энергии определяется формулой:

D I = I ₀ - I = I ₀ (1 - e^{- kcl} ).

Яркость флуоресценции F равна

F = j D I.

Если оптическая плотность среды мала (kcl среды << 1), яркость флуоресценции оказывается равной

F =j I ₀ kcl.

На этом основано применение спектров флуоресценции в спектральном анализе. Линейность градуировочных графиков при использовании спектров флуоресценции достигает 5 - 7 порядков величины.

Метод атомной флуоресценции пока еще не нашел широкого распространения из-за отсутствия мощных источников излучения, трудностей при юстировке аппаратуры и регистрации слабых сигналов. Тем не менее, более низкие пределы обнаружения, получаемые для метода атомной флуоресценции, дают надежду на более широкое его внедрение в практику. Атомно-флуоресцентный метод дает возможность определять более 60 элементов с пределами обнаружения n ∙E-4 - n ∙E-6 %. Этим методом можно анализировать почвы, растения, другие биологические материалы. Производительность метода, как и в атомной абсорбции, средняя и определяется пробоподготовкой.

Одной из основных помех при использовании резонансной флуоресценции является релеевское рассеяние света. Если сигнал резонансной флуоресценции очень слабый, то сигнал рассеянного света может полностью его маскировать. В этом случае выбирают спектральную линию (если такая имеется), принадлежащую к нерезонансной флуоресценции. Основной недостаток метода - гашение интенсивности флуоресценции определяемого соединения другими присутствующими в смеси веществами. Поэтому следует либо отделять изучаемые соединения от всех мешающих определению веществ, либо подавлять гашение флуоресценции, воспользовавшись тем обстоятельством, что оптические свойства многих флуоресцирующих веществ зависят от рН, природы растворителя, температуры и других факторов.

Дата добавления: 2014-01-07