Атомно – абсорбционная спектроскопия

Метод атомно-абсорбционного анализа (атомно-абсорбционной спектроскопии – ААС) основан на измерении поглощения атомным газом монохроматического излучения, энергия кванта hν которого соответствует резонансному переходу в атомах определяемого элемента.  Анализируемое вещество переводят в газообразное атомарное состояние, сжигая его в пламени газовой горелки. В пламени происходит сгорание или улетучивание растворителя, термическое разложение твёрдых веществ и образование атомного газа. При этом большинство газообразных атомов находится в пламени в основном (невозбуждённом) состоянии и способны поглощать излучение в видимой и УФ-областях спектра.

Поглощая кванты излучения, валентные электроны атомов возбуждаются и переходят с основного энергетического уровня на высшие с увеличением энергии на величину ∆ E = hν (рисунок 3.1.) Наиболее вероятным изменением энергетического состояния атома при возбуждении является переход на уровень, ближайший к основному, т.е. резонансный переход.

 

 

 

Рисунок 3.1 – Изменение энергетического состояния электронов при поглощении энергии

 

Если на невозбуждённый атом направить излучение с частотой, равной частоте резонансного перехода, интенсивность излучения будет уменьшаться в соответствии с законом атомного поглощения, аналогичным закону Бугера – Ламберта – Бера:

A = lg (I _0/ / I) = εlC,

где А – оптическая плотность поглощающего слоя (атомное поглощение);

I ₀ и I – интенсивность падающего и прошедшего излучения; ε – постоянная, зависящая от природы вещества и частоты излучения; l – толщина поглощающего слоя (пламени); С – концентрация поглощающих частиц в пламени. Выражение можно записать в виде  

 

А = КС₁,

 

где К – коэффициент, включающий в себя постоянную ε, толщину пламени l и соотношение концентрации вещества в растворе и пламени; С₁ – концентрация определяемого элемента в анализируемом растворе. При стационарном режиме работы прибора это соотношение постоянно.

В атомно-абсорбционном методе анализа в качестве источника излучения используют газоразрядные лампы низкого давления с катодом, изготовленным из определяемого элемента. Лампа с полым катодом излучает эмиссионный спектр определяемого элемента (характеристическое излучение).

 

 

                         Рисунок 3.2  – Лампа с полым катодом

При подаче на электроды напряжения порядка 200–300 В в лампе возникает тлеющий разряд, который локализуется внутри катодной полости. Ионы Ar или Ne, бомбардируя поверхность катода, распыляют его, а поступающие в газовую фазу атомы возбуждаются посредством столкновений с электронами и ионами. В результате лампа излучает эмиссионный спектр нужного элемента.

Для атомизации веществ используют пламёна различных типов, а также непламенные методы (атомизация в графитовой кювете).

Атомно-абсорбционный метод анализа позволяет определять около 80 элементов в различных объектах, в том числе в технологических и сточных водах производства химических волокон и красильно-отделочных производств. Метод характеризуется низкими пределами обнаружения, позволяет определять до 0,005 мкг/мл примесей в растворе с погрешностью 1 – 4 % и высокой экспрессностью.

Трудно определяются элементы, соединения которых не полностью диссоциируют при температуре пламени, а также элементы, образующие в среде пламени термостойкие оксиды или гидроксиды. Поэтому для атомизации образца и понижения пределов обнаружения используют пламя с более высокой температурой или атомизацию в графитовой кювете. В современных приборах возможно проводить атомизацию с помощью лазера.

Таблица 3.1 – Температуры используемых пламён

Горючее	Окислитель	Температура, °С
Светильный газ	Воздух	1700 – 1800
Ацетилен	Воздух	2250
Ацетилен	Кислород	3050
Ацетилен	Закись азота	2950
Водород	Кислород	2550 - 2650

       Графитовые кюветы представляют собой графитовые трубки, нагреваемые электрическим током (рисунок 3.3.). Графитовые атомизаторы изготавливают из электрографита и покрытого слоем пиролитического графита.

                    Рисунок 3.3 – Графитовый атомизатор

    Получение атомного пара в ограниченном пространстве  и инертной атмосфере резко понижает пределы обнаружения для растворов с 10^–3  до  10^–6 мг /л. Пробу в виде порошка или жидкости наносят на торец вспомогательного электрода  и вставляют в отверстие графитовой трубки. Проба испаряется, и нагретая трубка заполняется атомными парами. Излучение проходит через центральную часть графитовой трубки.

Метод атомно-абсорбционной спектроскопии используется в основном для количественного определения элементов.