WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


ХИМИЯ ХИМИЯ МЕТОДЫ АТОМНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА Г. Н. МАЗО Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Подавляющее большинство методов определения малых содержаний элементов-примесей в разного рода METHODS OF THE ATOMIC объектах, будь то геохимические пробы или высокочиSPECTRAL ANALYSIS стые вещества и материалы, объекты окружающей среды или биологические препараты, – это разнообразные G. N. MAZO инструментальные методы. Среди них наиболее распространенными, многоэлементными и весьма чувстMethods of optical atomic spectral analysis are вительными являются различные оптические атомноgiven. Origin and development of atomic emis- спектроскопические методы. Они достаточно экспрессны, разнообразны, широко используются для анализа sion, fluorescence and absorption spectrometry как жидких, так и твердых и газообразных проб.

are reviewed briefly. Principal bases of these methods and their possible application are МЕТОДЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА considered.

Под спектральным анализом понимают совокупность приемов, с помощью которых в результате измерения Статья посвящена методам атомного опспектров исследуемого образца количественно определяют содержание в нем интересующих элементов.

тического спектрального анализа. Дан Обычно наблюдают спектральные линии, лежащие в краткий исторический очерк возникновевидимой и ультрафиолетовой областях спектра. При ния и развития методов атомной эмиссииспользовании других областей это всегда отмечают в онной, флуоресцентной и абсорбционной названии соответствующего метода: рентгеноспектспектрометрии. Рассмотрены принципи- ральный анализ, инфракрасная спектроскопия, -спектроскопия.

альные основы этих методов и возможносИзвестны три основных спектральных метода опти их применения.

ределения элементного состава вещества. Наиболее старый атомно-эмиссионный спектральный анализ был открыт Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном в 1859 году; его обычно называют просто спектральным анализом. В 1955 году Дж.Н. Уолш предложил использовать для химического анализа не линии эмиссии, а линии поглощения атомов. Эта работа считается началом широко применяемого сейчас атомно-абсорбционного анализа.

Спустя 10 лет Дж.Д. Вайнфорднер с соавторами описали аналитический метод, основанный на наблюдении спектров флуоресценции атомов определяемых элементов, – это метод атомно-флуоресцентного анализа.

При использовании методов атомной спектроскопии образец (чаще раствор), содержащий анализируемые вещества, то есть элементы, содержание которых надо определить, распыляется в виде струи мелких каwww.issep.rssi.ru пелек (рис. 1). Небольшая часть этого потока переносится к ячейке атомизации, в качестве которой обычно МАЗО Г.Н. МЕТОДЫ АТОМНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА Мазо Г.Н., © ХИМИЯ используются пламя, нагреваемая печь или плазма. В ное состояние. В атомной эмиссии, где часть нейтральвысокотемпературной среде ячейки атомизации рас- ных атомов определяемого элемента в газовой фазе творитель аэрозоля испаряется практически мгновен- возбуждается при столкновениях с молекулами, ионано, оставляя сухие частицы анализируемого образца. ми, атомами или электронами в ячейке атомизации, Эти частицы быстро превращаются в газообразные мо- измеряется энергия, испускаемая этими возбужденнылекулы, свободные нейтральные атомы или ионы. От- ми атомами при их переходе в основное состояние пуносительное содержание каждого типа частиц сильно тем излучения.

зависит от температуры и среды в ячейке атомизации.

В атомной абсорбции, где нейтральные атомы опВ методах атомной абсорбции, атомной эмиссии и ределяемого элемента в газовой фазе в ячейке атомизаатомной флуоресценции ячейку атомизации и ее рабоции возбуждаются внешним источником света, измерячие характеристики выбирают так, чтобы получить макется доля излучения светового источника, поглощаемая симально возможную долю нейтральных атомов. Во атомами в процессе возбуждения.

всех трех методах энергия передается этим атомам, но В атомной флуоресценции, где нейтральные атомы механизм, по которому происходит возбуждение атоанализируемого элемента в газовой фазе возбуждаются мов, и способы измерения соответствующих сигналов в ячейке атомизации внешним источником света, как и различны.

в атомной абсорбции, измеряется доля энергии, испускаемая возбужденными атомами, претерпевающими СРАВНЕНИЕ СПЕКТРОВ переход в основное состояние путем излучения, как в Атом – электронейтральная система, состоящая из ядатомной эмиссии.

ра и некоторого числа электронов. Если атом поглощаВ атомной эмиссии ячейка атомизации служит для ет энергию в ультрафиолетовой или видимой области, превращения различных составляющих образца в нейодин или несколько электронов внешней валентной тральные атомы в газовой фазе и для перевода этих атооболочки переходят в более высокоэнергетическое сомов в возбужденное состояние путем столкновений. В стояние, то есть возбуждаются. Это состояние неустойатомной абсорбции и атомной флуоресценции ячейка чиво, и, следовательно, такие электроны почти немедатомизации служит только для превращения различленно возвращаются в основное состояние либо путем ных компонентов образца в нейтральные атомы газоизлучения света с энергией, характеристичной для данвой фазы.

ного атома, либо путем передачи энергии в результате столкновений с молекулами, атомами или ионами, приКаждому возбужденному состоянию атома соотсутствующими в ячейке атомизации.

ветствует своя индивидуальная энергия возбуждения, Механизмы возбуждения и возвращения в основ- то есть энергия или соответственно длина волны фотоное состояние в атомной абсорбции, атомной эмиссии на, которая производит возбуждение до этого энергеи атомной флуоресценции схематически показаны на тического уровня. Если существует несоответствие межрис. 2. Для простоты показано только одно возбужден- ду величиной энергии, необходимой для возбуждения Молекулы Атомы Жидкий Распыление Сухой Испарение Оптическое образец образца аэрозоль излучение Ионы Рис. 1. Превращения жидкого образца при вводе пробы в методах атомной спектроскопии СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №7, Ионизация Ассоциация Рекомбинация Диссоциация состояние Перевод в летучее Распыление Десольватация Возбуждение ХИМИЯ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ Атомная Возбужденное состояние эмиссия МЕТОДОВ АТОМНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Столкновительное Излучательный переход Сравнительная оценка возможностей и характеристик возбуждение в основное состояние различных оптических методов не может носить абсолютного характера в связи с большим разнообразием и Основное состояние спецификой задач анализа. Различными могут быть требования к концентрационному диапазону, точности и нижним границам количественных определений. В Атомная Возбужденное зависимости от массы анализируемой пробы сущестсостояние абсорбция венно различны требования к характеристике пределов обнаружения, достигаемых применяемым методом анаВозбуждение излучением лиза. Так, располагая большой массой пробы, можно решить задачу определения микропримесей с помоОсновное состояние щью методов анализа, характеризуемых низкими относительными пределами обнаружения. Если же в распоряжении аналитика имеется лишь малая масса пробы, Атомная Возбужденное метод анализа должен характеризоваться низкими абсостояние флуоресценция солютными пределами обнаружения интересующих Возбуждение Излучательный переход элементов-примесей. Не последнюю роль в оценке излучением в основное состояние недостатков и достоинств различных методов играет экономичность этих методов: стоимость аппаратуры, Основное состояние расход энергии, трудовые затраты, продолжительность анализа.

Рис. 2. Механизмы возбуждения атомов Атомно-эмиссионный спектральный анализ – практически самый распространенный экспрессный данного атома, и энергией, используемой для возбужвысокочувствительный метод идентификации и колидения, не происходит возбуждения атома.

чественного определения малых содержаний элементов. Важным достоинством метода по сравнению с друВ атомной абсорбции и атомной флуоресценции гими оптическими спектральными, а также многими используются источники возбуждения, испускающие химическими и физико-химическими методами аналиэнергию в точности или почти соответствующую за является возможность одновременного количествензначениям энергии, необходимой для возбуждения ного определения большого числа элементов в шировыбранных энергетических уровней каждого атома.

ком интервале концентраций с приемлемой точностью Использование этих источников возбуждения сильно при использовании малой массы пробы.

ограничивает количество энергетических уровней отДостоинствами метода атомно-флуоресцентного дельного элемента, содержащегося в образце, которые анализа являются сравнительно низкий уровень фона, можно возбуждать.

высокая селективность измерений, малые спектральВ атомной эмиссии, напротив, атомы в основном ные помехи, что позволяет детектировать слабые анасостоянии в ячейке атомизации подвергаются столк- литические сигналы и соответственно очень малые абновениям, покрывающим широкий интервал энергий. солютные количества элементов. К недостаткам метода В результате все энергетические уровни, связанные с атомно-абсорбционной и в определенной мере атомно-флуоресцентной спектрометрии следует отнести заосновным состоянием, даже уровни, очень близкие к основному состоянию, для всех элементов, присутству- труднительность одновременного определения нескольющих в ячейке атомизации, возбуждаются одновремен- ких элементов.

но, причем многие из них в масштабах, достаточных для С точки зрения возможности определения ультраиспускания заметных сигналов. В атомной эмиссии малых абсолютных содержаний элементов-примесей возбуждение атомов образца почти не контролируется ( 10- 11–10- 12 г) из оптических атомно-спектральных (лишь в общем виде путем выбора температуры в ячей- методов заслуживают особого внимания новые атомке атомизации). Следовательно, спектр атомной эмис- но-флуоресцентные и атомно-ионизационные методы с сии каждого элемента обычно состоит из большого возбуждением и ионизацией атомов с помощью перестчисла линий и эмиссионный спектр каждого образца раиваемых лазеров на красителях, а также некоторые соявляется суммой спектров всех элементов в образце. временные варианты оптических атомно-эмиссионного МАЗО Г.Н. МЕТОДЫ АТОМНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ХИМИЯ и атомно-абсорбционного методов анализа. В последнее ность аналитического метода. Эту работу проводили время широкое распространение получил атомно-эмис- совместно ученые Франции и России. Эксперименты сионный анализ с возбуждением спектров в высокоста- выполнены на лазерном атомно-флуоресцентном спекбильной индуктивно-связанной плазме (ИСП-АЭС). трометре, созданном в Институте спектроскопии РАН.

Современные анализаторы на основе этого метода Относительный предел обнаружения разработанным обычно включают полихроматор с решеткой эшелле1 и методом, например, свинца составлял 0,18 пг/мл, что приемники с зарядовой связью. Такая оптическая схема при использованном объеме пробы 20 мкл соответстпозволяет одновременно регистрировать все спектраль- вует абсолютному пределу обнаружения 4 10- 15 г, или ные линии в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. 1 107 атомов свинца в пробе [1].

Программное обеспечение современных ИСП-АЭСМетоды атомной спектроскопии постоянно соверанализаторов способно автоматически рассчитывать шенствуются, в первую очередь это относится к источконцентрацию определяемых элементов по интенсивникам возбуждения спектров. В статье изложены лишь ности их спектральных линий с коррекцией фона и основы методов. Более подробные сведения о теории и возможных спектральных наложений. Соответственно аппаратурном оформлении методов атомной спектротакие анализаторы отличаются высокой точностью и скопии представлены в отечественных и зарубежных продуктивностью.

монографиях и научных статьях, в том числе в [2–4].

Для иллюстрации возможностей методов оптичесЛИТЕРАТУРА кой спектроскопии можно привести такой пример. В 1. Bolshov M.A., Bourtron C.F., Zybin A.V. // Anal. Chem. 1989.

последние 20 лет постоянно растет интерес к определеVol. 61, № 15. Р. 1758–1763.

нию содержания тяжелых металлов в различных слоях 2. Зайдель А.Н. Основы спектрального анализа. М.: Наука, льдов и снегов Гренландии и Антарктики. Анализ об1965. 322 с.

разцов льда и снега, поднятых с различных глубин зале3. Данцер К., Тан Э., Мольх Д. Аналитика. М.: Химия, 1981. 280 с.

гания, дает ценнейшую информацию о климате плане4. Беков Г.И., Бойцов А.А., Большов М.А. и др. Спектральный ты, распределении воздушных потоков в тропосфере, анализ чистых веществ / Под ред. Х.И. Зильберштейна. СПб.:

Химия, 1994. 336 с.

позволяет оценить рост антропогенного воздействия на биосферу в последние два-три столетия. Сложность Рецензент статьи Н.Ф. Степанов аналитической задачи определяется весьма низким уровнем фонового содержания тяжелых металлов в об* * * разцах льдов и снегов, вследствие чего требуются как исключительная осторожность на всех этапах пробоот- Галина Николаевна Мазо, кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической химии химического бора и транспортировки образцов с тем, чтобы свести к факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Область научминимуму их загрязнения, так и высокая чувствительных интересов – диагностика неорганических мате1 риалов, спектральные методы анализа. Соавтор боОтражательная дифракционная решетка, обеспечивающая лее 80 научных работ и четырех учебных пособий для концентрацию энергии дифрагированного излучения в определенных порядках спектра. студентов.

СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №7,











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.