Атомно-абсорбционная спектрометрия

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ   им. А.Н.ТУПОЛЕВА 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ  

 «АТОМНО-АБСОРБЦИОННАЯ  СПЕКТРОМЕТРИЯ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                          Проверил

                     Выполнил 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 

1.Теоретические основы атомно-абсорбционного анализа

     1.1. Общая характеристика метода

     1.2. Схема атомно-абсорбционного спектрометра

     1.3.Источники излучения

     1.3.1. Лампы с полым катодом

     1.3.2. Безэлектродная лампа

     1.4. Атомизаторы

     1.4.1  Пламенный атомизатор

     1.4.2   Процессы, происходящие в пламени

     1.4.3 Электротермический атомизатор

     1.4.4 Гидридная техника

     1.4.5.Монохроматоры

     1.4.6 Детекторы

2.  Помехи  и способы их устранения при  проведении атомно-абсорбционного  анализа

     2. 1 Влияния в пламени

     2. 2 Методы устранения мешающих влияний в пламенном атомно-абсорбционном анализе

     2. 3 Влияния в графитовой печи

     2. 4 Способы устранения мешающих  влияний

3. Метрологические характеристики метода

4. Область применения атомно-абсорбционной спектрометрии

Заключение

Список использованной литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Метод атомно-абсорбционной  спектрометрии является универсальным  количественным методом для определения  небольших количеств элементов (порядка 10-4 или 10-5%) в большинстве природных (почвах, удобрениях, растениях, пищевых продуктах, нефти, смазочных маслах, питьевых, природных и сточных водах, морской воде, воздухе, и т. д.) и технических (металлы, сплавы, продукты гидрометаллургической переработки руд и т. д.) объектах. Данным методом можно определить почти 80 элементов в их числе Al, Mg, Сu, Pb, Fe, Ag, Ni, Hg, Cd, Cr, Mn.

Метод обладает высокой чувствительностью (для  большинства элементов составляют 10-6 - 10-4 в пламенном и 10-9 - 10-7 % масс) и селективностью, широким диапазоном определяемых концентраций (диапазон значений обычно составляет от нескольких сотых до 0,6 - 1,2 единиц оптической плотности), и воспроизводимостью.

Целью данной работы является 

1.Теоретические  основы атомно-абсорбционного  анализа

     1.1. Общая характеристика  метода

         Метод атомно-абсорбционной спектрометрии широко используется при анализе минерального вещества для определения различных элементов.

         Принцип действия метода основан  на том, что атомы каждого  химического элемента имеют строго  определённые резонансные частоты,  в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

         Атомные спектры (поглощения или  испускания) получают переведением  вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

Достоинства метода:

простота,

высокая селективность,

малое влияние  состава пробы на результаты анализа.

Ограничения метода – невозможность одновременного определения нескольких элементов при использовании линейчатых источников излучения и, как правило, необходимость переведения проб в раствор.   

     1.2. Схема атомно-абсорбционного  спектрометра

     Приборы для атомно-абсорбционного анализа - атомно-абсорбционные спектрометры -  прецизионные высокоавтоматизированные устройства, обеспечивающие воспроизводимость условий измерений, автоматическое введение проб и регистрацию результатов измерения.

Принцип действия атомно-абсорбционного спектрометра основан  на измерении величины поглощения луча света, проходящего через атомный пар исследуемой пробы. Для превращения исследуемого вещества в атомный пар используется атомизатор. В качестве источника света используется различные узкополосные источники света. Для достижения наилучшего результата необходимо соблюдать правила, сформулированные Уолшем:

длина волны, соответствующая  максимальному поглощению атомных  паров, должна быть равна длине волны  максимальной интенсивности излучения  источника

полуширина линии  поглощения атомных паров должна быть по крайне мере в два раза больше полуширины линии испускания источника

После прохождения  через атомные пары исследуемой  пробы луч света поступает  на монохроматор, а затем на приёмник, который и регистрирует интенсивность  излучения.

Существует два  вида атомно-абсорбционные спектрометров: пламенный и электротермичекий, (основное различие между ними заключается в структуре атомизатора).

Схема спектрометра, использующего пламенный атомизатор, представлена на рис. 1.  

     

     Рис.1. Принципиальная схема пламенного атомно-абсорбционного спектрометра: 1-источник излучения; 2-пламя; 3-монохроматор; 4-фотоумножитель; 5-регистрирующий или показывающий прибор.

Спектрометр с  электротермичеким атомизатором представлен  на рис. 2. 

Рис.2. Принципиальная схема  электротермичекого атомно-абсорбционного спектрометра:

1-источник  излучения, 2-оптическая система линз электротермического атомизатора, 3- графитовая трубчатая печь, 4- электромагнит ,5- монохроматор , 6- фотоэлектрический преобразователь с подключенным к нему персональным компьютером.

Проба вносится в атомизатор, где распадается  до свободных атомов. Возбуждение  атомов осуществляется потоком света  УФ-видимой области, исходящего из лампы  с полым катодом. Отсечение постороннего излучения и детектирование производятся при помощи - монохроматора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), соединенного с устройством отображения информации [5]. 

     1.3.Источники  излучения

Чтобы измерить степень поглощения света анализируемым  образцом, необходимо сравнить интенсивности  света, падающего на образец и прошедшего через образец.

Спектры молекул  имеют достаточно широкие полосы поглощения. В молекулярной спектроскопии  используют источники излучения, дающие непрерывный спектр. Из него с помощью  монохроматора выделяют спектральную полосу, лежащую в требуемом диапазоне.

В атомно-абсорбционной  спектрометрии применение источников непрерывного спектра невозможно. Причина  состоит в том, что атомные  линии поглощения очень узкие, их ширина составляет 10^-3 - 10^-2 нм. При облучении атомов недостаточно монохроматичным источником света большая часть светового потока пройдет через образец без поглощения.

Поэтому в атомно-абсорбционной  спектрометрии необходимо использовать источники света, дающие линейчатый спектр. При этом ширина линий в  спектре испускаемого света должна быть, по крайней мере, сравнима с шириной линий атомного спектра.

Ширина атомных  спектральных линий зависит от многих факторов. Естественное уширение, дополнительное уширение вызвано эффектом Допплера. Ширина линий зависит также от давления в атомизаторе и интенсивностей электрического и магнитного полей [5].

Естественное  уширение

А. Уолш указал, что естественная ширина спектральной линии имеет порядок 10^-5 нм. Она зависит от степени расширения уровней, определяемой временем пребывания электрона на верхнем энергетическом уровне. Естественным уширением можно пренебречь, так как оно незначительно.

Допплеровское уширение

Эффект Допплера заключается в изменении частоты  излучения при движении излучателя и приемника излучения друг относительно друга. В акустике этот эффект можно наблюдать в повседневной жизни: когда мимо вас на большой скорости проносится автомобиль, издающий громкий звуковой сигнал, высота звука непрерывно изменяется. В атомно-абсорбционной спектроскопии излучающими объектами являются атомы, совершающие беспорядочное тепловое движение в атомизаторе в разных направлениях относительно неподвижного приемника излучения. Их скорости движения подчиняются закону распределения Максвелла-Больцмана. Средняя скорость движения атомов пропорциональна корню квадратному из температуры. Атомы, движущиеся в направлении распространения излучения, поглощают при более низких частотах, а движущиеся навстречу излучению - при более высоких. В результате возникает симметричное уширение спектральной линии, называемое допплеровским. Его величина приблизительно в 100 раз больше, чем естественного. Уравнение (1) описывает зависимость допплеровского уширения от температуры (Т), длины волны излучения (λ) и массы атома (М):

ФОРМУЛА

где k- постоянная Больцмана, c - скорость света.

Лоренцевское  уширение

Еще одной причиной уширения линий являются столкновения атомов в атомизаторе с другими  атомами или ионами. Их вероятность  повышается с ростом давления. Вследствие взаимодействия электронных состояний  сталкивающихся частиц наблюдается расщепление их энергетических уровней и, следовательно, уширение спектральных линий. Этот тип уширения называется лоренцевским. Величина лоренцевского уширения также на два-три порядка выше, чем естественного. В пространстве лампы с полым катодом излучающие атомы находятся под давлением ниже атмосферного. Поэтому линии спектра испускания лампы более узкие, чем линии спектра поглощения атомов в атомизаторе [5].

     1.3.1. Лампы с полым  катодом

Лампа с полым  катодом — специальный вид ламп, используемый в атомно-абсорбционной спектроскопии как источник излучения с линейчатым спектром и для настройки частоты у лазерных источников.

Лампы с полым  катодом обычно представляют собой  стеклянный или кварцевый баллон, заполненный инертным газом под  низким давлением, внутри которого находятся два электрода — катод и анод. Катод имеет вогнутую форму и изготавливается из чистого металла. При подаче напряжения на электроды возникает тлеющий разряд с формированием положительно заряженных ионов газа-буфера. Эти ионы бомбардируют поверхность катода, выбивая из него атомы металла в газовую фазу. За счет столкновений с другими атомами они переходят в возбужденное состояние. При релаксации происходит процесс излучения света с длиной волны, характерной для соответствующего перехода электронов атома металла.

     

     1-источник  излучения; 2-пламя; 3-монохроматизатор; 4-приемник света; 5-двухлинзовая оптическая система.  

Рис. 3. Схема  строения лампы с полым катодом

Таким образом, спектр излучения лампы с полым  катодом — это атомный спектр материала катода, включающий также линии, испускаемые возбужденными атомами газа-наполнителя. Из такого спектра с помощью обычного дифракционного монохроматора выделяется одна наиболее интенсивная линия, которая и используется для атомно-абсорбционного определения элемента.

Недостаток ламп с полым катодом — возможность  определения только одного элемента. Существуют многоэлементные лампы, где катод выполнен из сплава нескольких элементов, однако они обладают более  плохими эксплуатационными характеристиками, по сравнению с обычными одноэлементными лампами.