Типова схема проведення спектрального аналізу

Незалежно від існування значної кількості методів спектрального аналізу можна стверджувати, що для реалізації кожного із них необхідні:

- джерело випромінювання - джерело енергії, що спричинює збудження атомів речовини, яку аналізують;

- диспергуючий елемент - засіб виділення сигналів кожного елемента;

- приймач випромінювання - засіб спостереження (чи реєстрації) спектра.

Класичний спектральний прилад складається із вказаних трьох основних частин, а також має певну кількість спеціальних пристроїв -об’єктивів, лінз і щілин, які забезпечують необхідні параметри світлового потоку: фокусування, конденсування, паралельність тощо.

Обов’язковим елементом матеріального забезпечення спектрального аналізу є спеціально підготовлена проба (тобто певна кількість речовини, яку аналізують), а також різні допоміжні приладдя та інструменти, еталони, інформаційні таблиці, методики проведення аналізу тощо.

Найпоширеніші джерела випромінювання: високотемпературне полум’я, різні типи газового розряду (дуга, іскра тощо). Для підтримання необхідних характеристик цих джерел використовують відповідні генератори.

Диспергуючий елемент - призма, дифракційна ґратка або їхнє поєднання - розкладає випромінювання у спектр і є головною складовою кожного спектрального приладу.

Диспергуючий елемент у поєднанні з вхідними і вихідними щілинами та об’єктивами утворює головну частину спектрального приладу -монохроматор. Монохроматор дає змогу виокремити лінію певної довжини хвилі так. Диспергуючий елемент розділяє у просторі хвилі різної довжини внаслідок того, що вони мають різні показники заломлення (явище дисперсії).

При повороті диспергуючого елемента на вихідну щілину монохроматора фокусується випромінювання певної довжини, яке і фіксує приймач у вигляді зображення щілини - лінії. Колір випромінювання зумовлений його частотою або довжиною хвилі. Отже, випромінювання певної довжини хвилі буде монохроматичним (однокольоровим). Монохроматор дає змогу отримати випромінювання певної довжини хвилі у вигляді ліній певного кольору. Ці лінії називають спектральними.

Реєстрація отриманих спектрів може здійснюватись різними типами приймачів: людським оком (візуальна реєстрація), фотопластинкою (фотографічна реєстрація), приладами, у яких за рахунок явища фотоефекту відбувається перетворювання випромінювання в електричний струм. У цьому випадку реєстрація є фотоелектричною.

Спектральні прилади з візуальною реєстрацією називають спектроскопами, з фотографічною - спектрографами, з фотоелектричною - спектрометрами.

Для визначення довжини хвилі тієї чи іншої спектральної лінії за її положенням у спектрі слугують вимірні мікроскопи, спектропроектори, інші допоміжні прилади. На фотографії спектра (спектрограмі) мікрофотометрами визначають інтенсивність лінії за її почорнінням.

Сучасний спектральний прилад містить у собі низку засобів, які у поєднанні з засобами мікропроцесорної техніки виконують функції цих допоміжних приладів і звільняють аналітика від клопітких операцій та обчислень.

Увесь процес виконання спектрального аналізу при використанні його різних методів має певні особливості, проте в усіх випадках складається із таких етапів:

- підготовка проби;

- отримання спектра проби;

- визначення довжини хвилі спектральних ліній або смуг, тобто визначення якісного складу проби;

- визначення інтенсивності спектральних ліній чи смуг, які належать тим чи іншим елементам або сполукам;

- визначення концентрації елементів або сполук у пробі, тобто визначення кількісного складу проби;

- оброблення та аналіз результатів дослідження.

Методика відбору проб, вибір інструментарію (прилади, приладдя тощо), проведення аналізу за різними методами має певні, іноді суттєві, відміни, що розглядатиметься під час вивчення конкретних методів спектрального аналізу. Оброблення результатів аналізу при використанні різних його методів має практично універсальний характер, тобто від методу аналізу не залежить.

Метод атомно-абсорбційного спектрального аналізу відрізняється високою абсолютної і відносної чутливістю. Метод дозволяє з великою точністю визначати в розчинах близько вісімдесяти елементів в малих концентраціях, тому він широко застосовується в біології, медицині (для аналізу органічних рідин), в геології, грунтознавстві (для визначення мікроелементів у грунтах) та інших галузях науки, а також у металургії для досліджень і контролю технологічних процесів.

По точності і чутливості цей метод перевершує багато інших, тому його застосовують при атестації еталонних сплавів і геологічних порід (шляхом переведення в розчин).

Атомно-абсорбційний аналіз (атомно-абсорбц. спектрометрія), метод кількісного елементного аналізу по атомних спектрах поглинання (абсорбції). Через шар атомних парів проби, одержуваних за допомогою атомизатора, пропускають випромінювання в діапазоні 190-850 нм. У результаті поглинання квантів світла атоми переходять у збуджені енергетичні стани. Цим переходам в атомних спектрах відповідають резонансні лінії, характерні для даного елемента. Відповідно до закону Бугера-Ламберта-Бера, мірою концентрації елемента служить оптична щільність

A = lg (I₀/I),

де I₀ і I - інтенсивності випромінювання від джерела відповідно до і після проходження через поглинаючий шар.

Прилади для атомно-абсорбційного аналізу атомно-абсорбційні спектрометри прецизійні високоавтоматизовані пристрої, що забезпечують відтворюваність умов вимірювань, автоматичне введення проб і реєстрацію результатів вимірювання. В деякі моделі вбудовані мікроЕОМ. В якості прикладу на рис. наведена схема одного з спектрометрів. Джерелом лінійного випромінювання в спектрометрах найчастіше служать одноелементні лампи з порожнистим катодом, що заповнюються неоном. Для визначення деяких легколетучих елементів (Cd, Zn, Se, Ті й ін) зручніше користуватися високочастотними безелектроднимі лампами.

Переклад аналізованого об'єкта в атомізоване стан і формування поглинаючого шару пара певної і відтворної форми здійснюється в атомізатор - зазвичай в полум'ї або трубчастої печі. Найбільш часто використовують полум'я сумішей ацетилену з повітрям (макс. температура 2000 °С) і ацетилену з N2O (2700 °С). Пальник з щілиноподібні соплом довжиною 50 - 100 мм і шириною 0,5 - 0,8 мм встановлюють уздовж оптич. осі приладу для збільшення довжини поглинаючого шару.

Трубчасті печі опору виготовляють найчастіше з щільних сортів графіту. Для виключення дифузії пари через стінки і збільшення довговічності графітові трубки покривають шаром газонепроникного піроуглерода. Максимальна температура нагріву досягає 3000 °С. Менш поширені тонкостінні трубчасті печі з тугоплавких металів (W, Та, Мо), кварцу з ніхромовим нагрівачем. Для захисту графітових і металевих печей від обгорання на повітрі їх поміщають в напівгерметичні або герметичні камери, через які продувають інертний газ (Аr, N2).

Введення проб у поглинаючу зону полум'я або печі здійснюють різними прийомами. Розчини розпорошують (зазвичай в полум'я) за допомогою пневматичних розпилювачів, рідше - ультразвукових. Перші простіше і стабільніші в роботі, хоча поступаються останнім в ступені дисперсності утворюється аерозолю. Лише 5-15% найбільш дрібних крапель аерозолю надходить у полум'я, а інша частина відсівається у змішувальній камері і виводиться у стік. Максимальна концентрація твердої речовини в розчині зазвичай не перевищує 1%. В іншому випадку відбувається інтенсивне відкладення солей в соплі пальника.

Термічне випаровування сухих залишків розчинів - основний спосіб введення проб в трубчасті печі. При цьому найчастіше проби випаровують з внутрішньої поверхні печі; проби (обсягом 5-50 мкл) вводять за допомогою мікропіпетки через дозувальне отвір в стінці трубки і висушують при 100 °С. Однак проби випаровуються зі стінок при безперервному зростанні температури поглинаючого шару, що обумовлює нестабільність результатів. Щоб забезпечити сталість температури печі в момент випаровування, пробу вводять в попередньо нагріту піч, використовуючи вугільний електрод (графітову кювету) графітовий тигель (піч Вудріффа), металевий або графітовий зонд. Пробу можна випаровувати з платформи (графітового коритця), яку встановлюють у центрі печі під дозувальним отвором. У результаті значного відставання температури платформи від температури печі, що нагрівається зі швидкістю 2000 До /с, випаровування відбувається при досягненні піччю практично постійної температури.

Для введення в полум'я твердих речовин або сухих залишків розчинів використовують стрижні, нитки, човники, тиглі з графіту або тугоплавких металів, що поміщаються нижче оптич. осі приладу, так що пари проби надходять в поглинаючу зону з потоком газів полум'я. Графітові випарники в ряді випадків додатково підігрівають електричним струмом. Для виключення хутро. втрат порошкоподібних проб у процесі нагрівання застосовуються випарники типу циліндричних капсул, виготовлені з пористих сортів графіту.

Іноді розчини проб піддають в реакційному посудині обробці у присутності. відновників, найчастіше NaBH₄. При цьому Hg, напр., Відганяється в елементному вигляді, As, Sb, Bi і ін-у вигляді гідридів, к-які вносяться до атомізатор потоком інертного газу. Для монохроматізаціі випромінювання використовують призми або дифракційні решітки; при цьому досягають дозволу від 0,04 до 0,4 нм.

При атомно-абсорбційному аналізі необхідно виключити накладення випромінювання атомизатора на випромінювання джерела світла, врахувати можливу зміну яскравості останнього, спектральні перешкоди в атомізатор, викликані частковим розсіюванням і поглинанням світла твердими частинками і молекулами сторонніх компонентів проби. Для цього користуються різними прийомами, наприклад модулюють випромінювання джерела з частотою, на яку налаштовують приймально - реєструючий пристрій, застосовують двухлучевую схему або оптич. схему з двома джерелами світла (з дискретним і безперервним спектрами). наиб. ефективна схема, заснована на зеєманівське розщепленні і поляризації спектральних ліній в атомізатор. У цьому випадку через поглинаючий шар пропускають світло, поляризований перпендикулярно магнітному полю, що дозволяє врахувати неселективні спектральні перешкоди, досягають значень А = 2, при вимірюванні сигналів, які в сотні разів слабкіше.