Коротка характеристика атомно-абсорбційного аналізу

Атомно-абсорбційний аналіз (ААА) грунтується на резонансному поглинанні характеристичного випромінювання елемента його незбудженими атомами, які знаходяться у вільному стані.

Цей метод запропонований австралійським вченим Уолшем у 1956 р.

У цьому методі об'єкт аналізу піддають дії високих температур, щоб перевести його складові частини в стан атомної пари, але не достатній для збудження одержаних атомів. Через шар атомізованого зразка пропускають випромінювання від джерела безперервного спектра. При цьому вільні атоми будуть поглинати фотони, енергія яких відповідає енергії резонансних переходів. На виході випромінювання збіднюється хвилями, які поглинаються атомами зразка, тобто спостерігається спектр поглинання.

Аналітичним сигналом ААА є спектр поглинання випромінювання атомами елементів. Довжина хвилі лінії, яка поглинається, є якісною характеристикою аналітичного сигналу. Ступінь послаблення інтенсивності випромінювання цієї хвилі залежить від концентрації елемента і є кількісною характеристикою цього методу

Прилади ААА складаються з таких частин: джерела випромінювання, атомізатора, монохроматора, рецептора.

1. Джерело випромінювання повинно мати в своєму спектрі лінії, довжини хвиль яких дорівнюють резонансним переходам атомів, які визначають. Використовуються такі джерела:

а) Газорозрядні лампи високого тиску (водневі, ртутні), які мають безперервний спектр у видимій і ультрафіолетовій областях. За їх допомогою можна визначати різні елементи.

б) Лампи з порожнистим катодом - це газорозрядні лампи заповнені інертним газом і катодом, виготовленим з металу, який визначають. Лампи мають кварцеве вихідне вікно, через яке виходить випромінювання, що містить інтенсивну резонансну лінію визначуваного елемента. Для визначення кожного елемента необхідно мати відповідну лампу з порожнистим катодом.

в) Лазерне випромінювання. Лазер дозволяє одержувати потужне випромінювання певної довжини хвилі. Зручно використовувати лазери, довжину хвилі випромінювання яких можна змінювати.

2. Призначення атомізатора - перевід елементів зразка в стан атомної пари. Використовуються такі принципи атомізації:

а) Полум'яні атомізатори використовують високу температуру полум'я різних горючих газів з окисниками. Досліджуваний зразок переводиться в розчин, переважно водний, який у вигляді дрібних крапель вводиться у газовий потік перед пальником. Газове полум'я характеризується високою стабільністю умов атомізації і малим фоновим випромінюванням.

б) Електротермічні атомізатори, запропоновані Львовим Б.В. в 1961 р., є графітови­ми трубчастими електропечами, які можуть нагріватися до 3000 ^оС. Об'єкт аналізу у вигляді розчину або твердої речовини вміщають на внутрішню холодну стінку печі, включають нагрів, який забезпечує випаровування і атомізацію зразка. Після атомізації через відкриті кінці печі пропускають випромінювання від джерела світла. Для відтворюваності умов атомізації режим нагріву регулюють за програмою компьютера.

3. Монохроматори служать для виділення з випромінювання, яке пройшло через атомізатор, резонансної лінії визначуваного елемента. Використовуються призменні або дифракційні монохроматори з вхідною щілиною і відповідною оптичною системою.

При використанні ламп з порожнистим катодом відпадає необхідність у спеціальному монохроматорі, достатньо використати світлофільтр для відокремлення фонового випромінювання атомізатора. У цьому випадку схема прилада суттєво спрощується.

4. Як рецептор використовують фотоелектричні перетворювачі: фотоелементи, фотопомножувачі, які видають електричний сигнал пропорційний інтенсивності світла, що на них падає.

Якісний аналіз можна проводити на приладах з безперервним спектром освітлення і монохроматором, які дають можливість зареєструвати спектр поглинання атомізованого зразка. Наявність поглинання, яке відповідає довжинам хвиль резонансних ліній свідчить про наявність відповідних елементів. При використанні ламп з порожнистим катодом можна говорити про наявність або відсутність елемента, для визначення якого служить ця лампа.

Кількісний аналіз грунтується на залежності ступеня поглинання випромінювання від концентрації визначуваного елемента. Поглинання монохроматичного випромінювання атомами відбувається за законом, аналогічним закону Бугера-Ламберта-Бера, який ми будемо розглядати в молекулярно-абсорбційному аналізі:

(2.10),

де I_o - інтенсивність падаючого світла,

I - інтенсивність світла, яке пройшло через шар атомів,

с - концентрація поглинаючих атомів, пропорційна концентрації елемента в зразку,

k - коефіцієнт поглинання,

l - товщина поглинаючого шару.

Коефіцієнт поглинання залежить від геометричних розмірів атомізатора і від умов атомізації (температура, швидкість подачі зразка в атомізатор, наявність інших елементів).

Величину A = lgI_o/I називають абсорбційністю. З врахуванням формули (2.8) A = kсl.

Прилади ААА дозволяють підтримувати стабільними умови атомізації і геометричні розміри атомізатора, тому кількісний аналіз проводиться методом прямого калібрування, якщо матриця стандартних розчинів відповідає складу досліджуваного розчину. При неможливості відтворити матрицю користуються методом добавок.

У сучасних приладах сигнал рецептора подається безпосередньо на комп'ютер, де і обробляється згідно заданої програми.

Переваги метода: висока чутливість (0,0001 - 0,0005 мг/л), висока точність (0,5 – 1 %) навіть для великих концентрацій визначуваної речовини.

 

Питання для самоконтролю

1. Характеристики випромінювання електромагнітних коливань з точки зору хвильової і квантової теорій.

2. Співвідношення між різними характеристиками електромагнітних коливань.

3. Характеристики піддіапазонів оптичного діапазону.

4. Що таке спектр випромінювання?

5. Які бувають спектри випромінювання?

6. На чому грунтуються емісійні спектральні методи аналізу?

7. Механізм випромінювання електромагнітних коливань атомами.

8. Чому випромінювання атомів має лінійчастий характер?

9. Що таке енергія збудження лінії?

10. Ймовірність переходу електронів, які супроводжуються випромінюванням. Правила відбору.

11. Закономірності випромінювання атомів.

12. Аналітичний сигнал емісійної спектроскопії. Якісна і кількісна характеристика аналітичного сигналу.

13. Характеристика основних елементів спектральних приладів.

14. Якісний емісійний спектральний аналіз. Останні лінії.

15. Способи визначення довжини хвилі.

16. Від чого залежить інтенсивність спектральної лінії?

17. Процес самопоглинання.

18. Умови застосування методу прямого калібрування.

19. Метод гомологічних пар. Вимоги до гомологічних ліній.

20. Методи напівкількісного спектрального аналізу. Сфера їх застосування.

21. Фотографічний спосіб фіксування інтенсивності ліній. Характеристична крива фотопластинки.

22. Різновиди методу гомологічних пар при фотографічному фіксуванні спектрів. Переваги і недоліки кожного методу.

23. Особливості полум'яно-фотометричного аналізу.

24. Загальна характеристика атомно-емісійного аналізу.

25. Основи атомно-абсорбційного аналізу. Аналітичний сигнал.

26. Основні елементи атомно-абсорбційних приладів.

27. Переваги та недоліки лампи з порожнистим катодом як джерела опромінювання.

28. Від чого залежить ступінь поглинання лінії визначуваного елемента.

29. Загальна характеристика і сфери застосування ААА.