Атомно-абсорбционная спектроскопия в анализе

  • Атомно-абсорбционная спектроскопия в анализе    Метод атомно-абсорбционной спектроскопии в настоящее время является едва ли не самым удобным для определения содержания металлов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах, почвах, различных сплавах. Также метод используется в геологии для анализа состава горных пород, металлургии для определения состава сталей, в медицине. Метод используется даже в области искусства: он активно используется при различных экспертизах памятников искусства (картин, скульптур и др.).

    Метод атомно-абсорбционной спектроскопии рекомендуется большей частью государственных стандартов для определения подвижного цинка в почве, природных и водопроводных водах, а также во множестве цветных сплавов.

    Метод основан на поглощении электромагнитного излучения свободными атомами в стационарном (невозбужденном) состоянии. При длине волны, соответствующей переходу атома из основного в возбужденное электронное состояние, заселенность основного уровня уменьшается. Аналитический сигнал зависит от числа невозбужденных частиц в анализируемом образце (т.е. от концентрации определяемого элемента), следовательно, измеряя количество поглощенного электромагнитного излучения можно определить концентрацию определяемого элемента в исходном образце.

    Распределение атомов по разным энергетическим уровням описывается распределением Больцмана, которое показывает, что при увеличении температуры заселенность уровня возрастает.

    В атомно-абсорбционном спектральном анализе используются резонансные переходы (переходы между основным и первым возбужденным состоянием), потому что даже при очень больших температурах совсем незначительное число атомов переходит на возбужденный уровень.

    Излучение, которое испускают атомы после фотонного возбуждения, называют флуоресценцией.

    Первым прибором, выполняющим функцию современного спектрометра, был спектроскоп. Он был изобретен Йозефом Фраунгофером в начале XIX века. В нем свет проходил через щели и коллимирующие линзы, после чего преобразовывался в тонкий пучок параллельных лучей. Затем этот пучок проходил через призму, которая раскладывала его на спектр. Изображение спектра наблюдалось через трубку со шкалой, которая была наложена на изображение, позволяя таким образом проводить измерения. Следующим шагом на пути к развитию было появление спектрографа. Принцип его работы такой же, как и у спектроскопа, но вместо наблюдательной трубки в нем фотокамера (прибор был придуман после изобретения фотопленки). Сейчас вместо фотокамеры используется фотоэлектроумножитель, который позволяет получить очень точные расчеты.

    В качестве источника излучения зачастую используются лампы с полым катодом. Они состоят из пустого внутри катода, который изготовлен из того же металла, который необходимо определить в ходе анализа, или же из сплава, в котором содержится этот металл. Катод и анод разделены стеклянным цилиндром, между ними проходит постоянный ток с напряжением 400-600 В и силой тока до 40 мА. При таких условиях в полости катода возникает заряд. Сама же лампа заполнена инертным газом при давлении 100-400 Па.

    Вследствие напряжения между электродами инертный газ ионизируется. Частицы газа с большой скоростью движутся внутри лампы, ударяются об катод, выбивая из него атомы металла. Кроме того, частицы благородного газа еще и передают частицам металла свою избыточную энергию, переводя их в более высокое энергетическое состояние. Через миллионную долю секунды атомы металла возвращаются в невозбужденное состояние, испуская излучение с определенной длиной волны.

    В качестве атомизатора удобнее всего использовать пламя. В атомной спектроскопии используются смеси горючих газов с окислителями. Например, при использовании в качестве горючего ацетилена, а в качестве окислителя - кислорода воздуха, в системе при температуре около 2300 ͦС происходят следующие реакции:
    C2H2 + O2 = 2CO + H2
    H2 + 1/2O2 = H2O
    2CO + O2 = 2CO2 + hv

    После внесения пробы в пламя происходит испарение растворителя с образованием твердых частиц вещества, которые вследствие высокой температуры также растворяются с образованием атомного пара. В пламени присутствуют и молекулы, и радикалы, которые могут взаимодействовать с атомами определяемого элемента (в том числе и по радикальному механизму).

    Монохроматор используется для выбора аналитической линии. Чаще всего в качестве монохроматора используются дифракционные решетки.

    После дифракционной решетки излучение попадает на детектор, в качестве которого используется фотоэлектроумножитель.

    Основная роль фотоэлектронного умножителя - преумножение тока в результате вторичной электронной эмиссии. Таким образом, ток в цепи анода значительно превышает величину первоначального фототока (от 105 раз и выше). Сигнал, полученный в результате прохождения через фотоэлектроумножитель, регистрируется и выводится на ПК.

    Количественный атомно-абсорбционный метод основан на законе Ламберта-Бугера-Бера:
    A=k*l*c,
    где l – толщина поглощающего слоя, с – концентрация раствора, k – атомный коэффициент поглощения.

    Тэги: Метод, излучение, атомно-абсорбционная спектроскопия