Цель практического эмиссионного спектрального анализа состоит в качественном обнаружении, в полуколичественном или точном количественном определении элементов в анализируемом веществе. В зависимости от физического состояния, электрической проводимости и неорганической или органической природы все вещества могут быть разделены на следующие группы:

1. Твердые проводники, например высокочистые металлы, промышленные металлы и различные сплавы на основе железа, стали и других металлов (продукция металлургического производства).

2. Твердые диэлектрические вещества, например почвы, горные породы, руды, минералы (геологические образцы), сырье, полупродукты и готовая продукция неорганической химической промышленности (продукция химической, стекольной, керамической, полупроводниковой промышленности и т. д.).

3. Твердые диэлектрические вещества в основном органической природы, например вещества растительного и животного происхождения (биологические вещества, продукция пищевой промышленности), продукция органической химической, бумажной, фармацевтической промышленности и т. д.

4. Жидкие вещества неорганической (например, продукция химической промышленности) и органической природы (например, биологические вещества и продукция нефтяной промышленности).

5. Газы (воздух, природный газ, промышленные газы и т. д.).

6. Специальные вещества, которые не могут быть включены в группы 1—5.

Вообще говоря, любое вещество может быть проанализировано на содержание в нем металлических компонентов и исследовано со специфическими целями (например, соответствие веществ требованиям контроля качества, производственной технологии и промышленной гигиены, их пригодность для медицинских целей, археологии, криминалистики, космических исследований и т. д.).

Методы спектрального анализа, как правило, просты, экспрессные, легко поддаются механизации и автоматизации, т. е. они подходят для рутинных массовых анализов. При использовании специальных методик пределы обнаружения отдельных элементов, включая некоторые неметаллы, чрезвычайно низки, что делает эти методики пригодными для определения микроколичеств примесей. Эти методы, за исключением случаев, когда в наличии имеется лишь незначительное количество пробы, являются практически неразрушающими, так как для анализа требуются только малые количества материала образцов.

Точность спектрального анализа, в общем, удовлетворяет практическим требованиям в большинстве случаев определения примесей и компонентов, за исключением определения высоких концентраций основных компонентов сплавов. Стоимость спектрального анализа низка, хотя первоначальные капиталовложения достаточно высоки. Однако последние быстро окупаются вследствие высокой производительности метода и низких требований к материалам и обслуживающему персоналу.

Спектральный анализ (за исключением некоторых особых случаев) не пригоден для определения типов связей между элементами, т. е. вида соединений, присутствующих в образце. Как и все инструментальные методы анализа, количественный спектральный анализ основан на сравнительном исследовании анализируемого образца и стандартных образцов известного состава.

Спектральный анализ можно рассматривать как метод инструментального исследования, нашедший наибольшее применение. Однако этот метод не может всецело удовлетворять разнообразным аналитическим требованиям, возникающим на практике. Так, спектральный анализ является только одним лабораторным методом в ряду других методов исследования, преследующих различные цели. При разумной координации разные методы могут отлично дополнять друг друга и совместно содействовать их общему развитию.

Чтобы выбрать из методов спектрального анализа тот, который больше всего подходит для данной задачи, и чтобы получить правильные результаты выбранными методами, необходимы соответствующие теоретические и практические знания, очень тщательная и аккуратная работа. При систематическом рассмотрении основных положений практического спектрального анализа следует принимать во внимание, кроме общей фундаментальной теории, также специфические особенности метода.

В случае проводящих и непроводящих ток материалов органического и неорганического происхождения независимо от того, находятся ли они в твердом, жидком или газообразном состоянии, пробоотбор должен выполняться с особой тщательностью. Вследствие высокой чувствительности спектрального релиза выводы о химическом составе очень больших партий материала часто должны делаться на основании результатов анализа незначительных количеств пробы. Загрязнение анализируемого образца может существенно исказить результаты анализа. Соответствующая физическая или химическая обработка проб, например сплавление, растворение или предварительное обогащение, нередко может оказаться очень полезной.

Для возбуждения спектров в разных методах требуются вещества в различном физическом состоянии или в виде различных химических соединений. Производительность анализа может решающим образом влиять на выбор наиболее подходящих источников излучения.

Отношение интенсивностей линий аналитической пары даже для наиболее тщательного способа пробоотбора и при использовании наиболее подходящего источника излучения в значительной степени зависит от внешних физических и химических параметров (экспериментальных условий), задаваемых методом анализа и изменяющихся в процессе возбуждения. Знание теоретических корреляций и практических выводов из них имеет большое значение для реализации в полной мере аналитических возможностей метода.

Возбуждаемый спектр излучения пробы регистрируется с помощью спектрографа, спектрометра или спектроскопа. Поэтому способы оценки спектров в спектральном анализе могут быть разделены на три группы.

В спектрографическом качественном анализе заключение о природе элементов в анализируемом образце можно сделать на основании длины волны спектральных линий. В количественном анализе почернение линий в общем случае служит мерилом их интенсивности и, следовательно, искомого количественного состава пробы. Методы спектрального анализа основаны на использовании либо субъективных, либо объективных методов измерения. Первая группа методов охватывает полуколичественный, вторая —количественный анализ. Чрезвычайно важно знать принципы спектрографических методов спектрального анализа.

Спектрометрический метод, интенсивность линий в котором определяют обычно с помощью фотоумножителя и измерительной электронной аппаратуры, относится к объективным методам количественного анализа. Этот способ измерения интенсивностей является более точным и экспрессным по сравнению со спектрографическим, но требует дорогостоящего и непростого в обслуживании оборудования.

Приборы спектрального анализа для визуальной спектроскопии относительно дешевы, и анализ с их помощью выполняется быстро. Однако эти методы основаны исключительно на субъективных способах измерения интенсивности линий. Поэтому получаемые результаты всегда носят полуколичественный характер.

Чтобы достичь более высокой чувствительности определения, воспроизводимости и точности, необходима обработка результатов измерения методами математической статистики.

При проведении спектрального анализа большую помощь оказывают таблицы, содержащие соответствующие физические постоянные и спектроскопические константы элементов и их наиболее важных соединений, а также таблицы для вспомогательных расчетов и рабочие инструкции, необходимые при качественных и количественных определениях.

Основы АЭСА

Атомно-эмиссионный спектральный анализ (АЭСА) - метод элементного анализа, основанный на изучении спектров испускания свободный атомов и ионов в газовой фазе в области длин волн 150-800 нм.

Пробу исследуемого вещества вводят в источник излучения, где происходят ее испарение, диссоциация молекул и возбуждение образовавшихся атомов (ионов). Последние испускают характерное излучение, которое поступает в регистрирующее устройство спектрального прибора.

При качественном АЭСА спектры проб сравнивают со спектрами известных элементов, приведенных в соответствующих атласах и таблицах спектральных линий, и таким образом устанавливают элементный состав анализируемого вещества. При количественном анализе определяют количество (концентрацию) искомого элемента в анализируемом веществе по зависимости величины аналитического сигнала (плотность почернения или оптический плотность аналитической линии на фотопластинке; световой поток на фотоэлектрический приемник) искомого элемента от его содержания в пробе. Эта зависимость сложным образом определяется многими трудно контролируемыми факторами (валовой состав проб, их структура, дисперсность, параметры источника возбуждения спектров, нестабильность регистрирующих устройств, свойства фотопластинок и т.д.). Поэтому, как правило, для ее установления используют набор образцов для градуировки, которые по валовому составу и структуре возможно более близки к анализируемому веществу и содержат известные количества определяемых элементов. Такими образцами могут служить специально приготовленные металлические сплавы, смеси веществ, растворы, в том числе и стандартные образцы, выпускаемые промышленностью. Для устранения влияния на результаты анализа неизбежного различия свойств анализируемого и стандартных образцов используют разные приемы; например, сравнивают спектральные линии определяемого элемента и так называемой элемента сравнения, близкого по химическим и физическим свойствам к определяемому. При анализе однотипных материалов можно применять одни и те же градуировочные зависимости, которые периодически корректируют по поверочным образцам.

Чувствительность и точность АЭСА зависят главным образом от физических характеристик источников возбуждения спектров - температуры, концентрации электронов, времени пребывания атомов в зоне возбуждения спектров, стабильности режима источника и т. д. Для решения конкретной аналитической задачи необходимо выбрать подходящий источник излучения, добиться оптимизации его характеристик с помощью различных приемов - использование инертной атмосферы, наложение магнитного поля, введение специальных веществ, стабилизирующих температуру разряда, степень ионизации атомов, диффузионные процессы на оптимальном уровне и т.д. Ввиду многообразия взаимовлияющих факторов при этом часто используют методы математического планирования экспериментов.

Сущность метода

Атомно-эмиссионный спектральный анализ – это метод определения химического состава вещества по спектру излучения его атомов под влиянием источника возбуждения (дуга, искра, пламя, плазма).

Возбуждение атомов происходит при переходе одного или нескольких электронов на более отдалённый энергетический уровень. В нормальном состоянии (невозбуждённом) атом имеет наименьшую энергию E0. В возбужденном (неустойчивом) состоянии атом может находиться очень короткое время (≈10-7 – 10-8 сек) и всегда стремится занять нормальное невозбуждённое состояние. При этом атом отдаёт избыточную энергию в виде излучения фотона.

;

где Е2,Е1 – энергия верхнего и нижнего уровня; ν – частота; с – скорость света; λ – длина волны излучения; h – постоянная Планка.

Для перехода атома на более высокий энергетический уровень ему необходимо передать энергию называемую потенциалом возбуждения. Наименьшая энергия необходимая для отрыва от невозбуждённого атома его внешнего валентного электрона – потенциал ионизации (энергия возбуждения).

Спектральная линия – излучение какой-либо одной длины волны, соответствующая определённому энергетическому переходу возбуждённого атома.

Интенсивность спектральной линии (I) прямо пропорционально числу возбуждённых частиц (N*), т.к. возбуждение атомов имеет термическую природу. Возбуждённые и невозбуждённые атомы находятся между собой в термодинамическом равновесии, которая описывается уравнением Больцмана:

где N0 – число невозбуждённых атомов; g*,g0 – статические веса возбуждённых и невозбужденных состояний атомов; E – энергия возбуждения; k – постоянная Больцмана; Т – температура.

Таким образом, при постоянной температуре N* прямо пропорционально N0, т.е. фактически общему числу данных атомов в пробе. Общее число атомов прямо пропорционально концентрации (с) элемента в пробе.

Таким образом, интенсивность эмиссионной спектральной линии может быть использовано в качестве аналитического сигнала для определения концентрации элемента:

где a – коэффициент, зависящий от условий процесса.

В АЭСА решающее значение имеет правильный выбор условий атомизации и измерения аналитического сигнала, поэтому в реальных условиях АЭСА используется формула Ломакина – Шайбе:

где b – постоянный коэффициент, зависящий от энергетических переходов, обусловленной излучением данной спектральной линии; определяет угол наклона градуировочного графика контролируемого элемента.

«Градуировочный график зависимости интенсивности спектральной линии от концентрации определяемого элемента»

Так как химический состав образцов контролируется в широком интервале концентраций, формулу Ломакина – Шайбе используют в логарифмических координатах:

«математическое основание для проведения количественного АЭСА»

Область применения

Основные области применения – анализ состава металлов и сплавов в металлургии и машиностроении, исследование геологических образцов и минерального сырья в горнодобывающей промышленности, анализ вод и почв в экологии, анализ моторных масел и других технических жидкостей на примеси металлов с целью диагностики состояния машин и механизмов.

Методы АЭСА

По цели проведения бывают качественные и количественные.

В зависимости от способа регистрации и измерения интенсивности спектральных линий различают:

- визуальный метод АЭСА

- фотографический метод АЭСА

- фотометрический метод АЭСА

Визуальные методы

Основаны на визуальной регистрации и фотометрии (определении почернения интенсивности спектральной линии) анализируемой пробы и являются наиболее простыми, зависящими от свойств глаза, который служит приемником излучаемого света.

Визуальные методы можно использовать только для исследования спектров с длинами волн 400-700 нм (видимая область). Средняя спектральная чувствительность глаза максимальна для желто-зеленого цвета λ≈550 нм.

Сравнивать визуально интенсивность линий разного цвета очень трудно, поэтому в качестве аналитической пары выбирают спектральные линии с близкими длинами волн. Визуально можно с достаточной точностью установить равенство интенсивностей линий или определеить наиболее яркую линию.

Визуальные методы делятся на стилоскопические и стилометрические.

Стилоскопический анализ основан на визуальном сравнении интенсивностей спектральных линий анализируемого элемента (примесей) и близлежащих линий спектра основного элемента. При этом используют заранее известные признаки (таблицы, рисунки), в которых равенству интенсивностей линий определенной аналитической пары соответствует определенная концентрация анализируемого элемента.

Стилоскопы используют для экспресс-анализа, когда не требуется высокая точность (на складах при контроле металлов, на шихтовых дворах, в пунктах сортировки). Иногда полуколичественный анализ на стилоскопах производится перед количественным анализом пробы для правильного выбора методики. Продолжительность анализа одной пробы на 6-7 элементов составляет 2-3 минуты.

Стилометрический отличается от стилоскопического тем, что более яркую линию аналитической пары ослабляют при помощи специального устройства до установления равенства интенсивностей обеих линий.

Недостатком визуальных методов является то, что измерение интенсивностей линий ограничено видимой областью спектра, утомительно, иногда отсутствует объективная информация.

Фотографические методы

Фотографические методы предусматривают фотографирование спектров спектрографами. В этом случае интенсивность светового потока определяет величину почернения (оптической плотности) изображений на пластинке (пленке).

Рабочая область спекрографа – видимая и УФ области спектра (до 1000 нм). Обычно рабочий диапазон 200-1000 нм.

Основные характеристики спекрографа: рабочая область и дисперсия (способность прибора пространственно разделять пучки лучей различных длин волн).

После получения спектров на фотопластинке их идентифицируют с помощью планшетов и спектропроектора. Затем величину почернения измеряют фотометрическим методом при помощи микрофотометра. Преимущества: объективность, документальная фиксация спектра. Недостатки: трудоемкость, небольшая скорость анализа (30-60 минут для 6-7 элементов).

Фотоэлектрические методы

Методы получили широкое распространение на металлургических и литейных заводах, так как характеризуются высокой скоростью, точностью анализа, возможностью полной автоматизации.

Данный метод основан на фотоэлектрической регистрации и фотометрии спектра анализируемой пробы. Световой поток аналитической спектральной линии определяемого элемента после отделения его монохроматором от всего остального спектра преобразует в электрический сигнал и измеряет интенсивность линии по величине этого сигнала (тока или напряжения). По своей конструкции эти приборы мало отличаются от спектрографов. Для определения концентраций всех анализируемых элементов данные приборы имеют несколько выходных щелей и называются квантометрами, квантоваками.

Методы количественного АЭСА

Все методы количественного спектрального анализа предусматривают использование комплекта стандартных образцов (эталонов, материалов сравнения) известного химического состава.

Требования, предъявляемые к стандартным образцам:

- однородность, независимо от вида контролируемого материала;

- близость валового (общего) состава к составу контролируемого материала;

- стабильность структуры у сплавов;

- отсутствие ликваций (неоднородности химического состава по сечению отливки), дефектов (трещин, пор и т.д.)

- , ci – массовая концентрация iтого компонента

К каждому комплекту стандартных образцов прилагается сертификат с указанием химического состава и погрешностей измерения каждого химического элемента. СОП – стандартные образцы предприятий. СОЖ – стандартные образцы НИИ или других заводских лабораторий.

Метод трех стандартных образцов

Этот метод может быть использован при всех видах регистрации спектра.

Экспонируя спектр контролируемого материала в тех же условиях, что и стандартные образцы, определяется интенсивность спектральной линии контролируемого элемента, используя градуировочный график, определяют искомую концентрацию. Обычно экспонирование спектров стандартных образцов осуществляется трехкратно с целью учета неоднородности образцов и условий стабильности ИВС.

Метод постоянного градуировочного графика

В этом случае градуировочный график строят заранее по большому числу точек. Для построения графика используют до нескольких десятков стандартных образцов. Спектр каждого стандартного образца фотографируется много раз в одних и тех же условиях, данные накапливаются в течение длительного времени, полученные результаты усредняют в единичном измерении.

Метод добавок

Метод добавок применяется, когда нельзя использовать стандартные образцы. При анализе порошковых проб, растворов, когда общий состав материала, подлежащего анализу, неизвестен или его невозможно воспроизвести.

Сущность метода состоит в добавлении к исследуемому материалу определенной дозы анализируемого элемента, вводимого обычно в виде соли. Оптимальное число смесей 3-5. по полученным таким образом образцам «добавкам» строят график. Условия анализа и добавки подбирают так, чтобы график был линейным. Продолжив его до пересечения с осью абсцисс, получают отрезок, равный искомой концентрации.

Сопутствующие операции

Пробоподготовка независимо от метода анализа и рода контролируемого материала осуществляется так:

- при контроле электропроводных материалов она заключается в механической обработке контролируемой поверхности токарным, фрезерным, абразивным способом;

- при контроле материалов минерального происхождения (неэлектропроводных) она заключается в измельчении пробы до 50-70 мкм в шаровых стержневых мельницах с последующим разбавлением графитовым порошком для обеспечения ее электропроводности;

Обычная растирка 15-20 минут для каждой смеси для обеспечения однородности. На одну экспозицию спектра (однократное сжигание пробы) требуется 20-30 мг смеси, помещаемой в кратер графитового электрода (диаметр кратера 3мм, глубина 4 мм).

- при контроле материалов органического происхождения осуществляется их озоление (пиролиз – термическое разложение без доступа кислорода) с последующим контролем полученного пепла в кратере графитового электрода.

Для качественного анализа используется специальная справочная литература (таблицы и атласы).

Таблицы бывают двух типов:

- спектральные линии всех элементов периодической системы Менделеева расположены в порядке убывания (возрастания) длины волны, используются для выявления возможного перекрывания линий разных элементов;

- линии каждого элемента периодической системы приведены в отдельной таблице.

Интенсивность линий в таблицах оценивается по условной шкале (слабая линия 1, яркая 2000, 3000, 90000 условных единиц). Самая распространенная и удобная таблица спектральных линий Зайделя.

Атласы представляют собой наборы карточек (планшетов), на которых изображены спектры элементов с указанием длин волн спектральных линий. Для его составления спектр элемента фотографируют в широком диапазоне длин волн, использую наиболее распространенные приборы и ИВС, а затем получают спектрограмму, увеличивают в 20 раз и небольшими участками спектра разносят по карточкам.

Наибольшее распространение получили атлас-спектры железа и атлас-спектральной линии химического элемента. Атлас-спектр железа играет особую роль в АЭСА. Линии железа заполняют видимую и УФ области спектра, они определены с очень большой точностью, используются в качестве стандарта – длин волн реперов.

Список литературы

1. Gegus E., Koh. Lapok, (1961)

2. Török T., Acta Chim. Acad. Sci. Hung.,(1962)

3. Török T., Magyar Kem. Foly.,(1964)

4. Harvey C.E., Spectrochemical Procedures, Publ. ARL, Glendale, Calif., 1950.

5. Török T., Szakacs O., Szabo Z.L., Acta Chim. Acad. Sci. Hung. (1972)

6. Czerny-Holynska B., Chem. Analityczna (1960)

7. Preuss E., Angew. Mineralog. (1940)

8. Русанов А.К., Спектральный анализ руд и минералов. – М.: Госгеолиздат, 1948

9. Mika L, Török T., Analytical Emission Spectroscopy, Fundamentals, Joint edition of Academiai Kiado, Budapest and Butterworth, London, 1973.

10. Зайдель А.Н., Основы спектрального анализа, М., 1965

11. Malone B.S., Corcoran W.H. J. Quant. Spectrosc. Radiat. // Transfer, 6, 443, 1966.

12. B.T.Wujec, Acta Phys. Polon., 36, 269, 1969.

13. Wiese W.L., .Smith M.W, Miles B.M. Atomic transition probabilities: Vol. 2. Sodium through calcium. NSRDS-NBS 22. The Superintendent of Documents, Washington, DC, 1969.

Приложение

1. Цель практического эмиссионного спектрального анализа состоит в

А) качественном обнаружении элементов в анализируемом веществе

Б) полуколичественном или точном количественном определении элементов в анализируемом веществе

В) все перечисленное

2. Проанализированы на содержание металлических компонентов и исследованы со специфическими целями могут быть:

А) только ферромагнетики

Б) только диэлектрики

В) любые вещества

3. Методы спектрального анализа, как правило

А) подходят для рутинных массовых анализов

Б) не подходят для рутинных массовых анализов

В) мало подходят для рутинных массовых анализов

4. Спектральный анализ (за исключением некоторых особых случаев) не пригоден для определения

А) концентраций элементов

Б) типов связей между элементами

В) наличия элементов

5. Для возбуждения спектров в разных методах требуются вещества в … физическом состоянии или в виде … химических соединений

А) различном, различных

Б) сходном, различных

В) различном, сходных

6. Возбуждаемый спектр излучения пробы регистрируется с помощью

А) спектрографа

Б) спектрометра

В) спектроскопа

Г) всех перечисленных приборов

7. В спектрографическом качественном анализе заключение о природе элементов в анализируемом образце можно сделать на основании

А) скорости распространения волны спектральных линий

Б) длины волны спектральных линий

В) ширины волны спектральных линий

8. Спектрометрический метод, интенсивность линий в котором определяют обычно с помощью фотоумножителя и измерительной электронной аппаратуры, относится к объективным методам

А) количественного анализа

Б) качественного анализа

В) полуколичественного анализа

9. Чтобы достичь более высокой чувствительности определения, воспроизводимости и точности, необходима

А) частая повторяемость эксперимента

Б) высокая чувствительность прибора

В) обработка результатов измерения методами математической статистики

10. … - это метод элементного анализа, основанный на изучении спектров испускания свободный атомов и ионов в газовой фазе в области длин волн 150-800 нм.

А) Атомно-абсорбционный спектральный анализ

Б) Атомно-эмиссионный спектральный анализ

В) Масс-спектральный анализ

11. При АЭСА пробу исследуемого вещества вводят в источник излучения, где происходят ее …, … молекул и … образовавшихся атомов (ионов).

А) испарение, диссоциация, возбуждение

Б) возбуждение, диссоциация, испарение

В) диссоциация, возбуждение, испарение

12. При количественном анализе определяют … искомого элемента в анализируемом веществе

А) качество

Б) химические соединения

В) концентрацию

13. При анализе однотипных материалов можно применять … градуировочные зависимости

А) разные

Б) одни и те же

В) неважно, какие

14. Чувствительность и точность АЭСА зависят, главным образом, от

А) физических характеристик источников возбуждения спектров

Б) технических характеристик источников возбуждения спектров

В) химических характеристик источников возбуждения спектров

15. Источники возбуждения спектра

А) дуга, искра, пламя, свет

Б) дуга, искра, газ, плазма

В) дуга, искра, пламя, плазма

16. Возбуждение атомов происходит при переходе одного или нескольких электронов на … отдалённый энергетический уровень

А) менее

Б) более

В) настолько же

17. В нормальном состоянии (невозбуждённом) атом имеет … энергию E0

А) наименьшую

Б) наибольшую

В) произвольную

18. … – это излучение какой-либо одной длины волны, соответствующая определённому энергетическому переходу возбуждённого атома.

А) Интенсивность линии

Б) Визуальная линия

В) Спектральная линия

19. Математическое основание для проведения количественного АЭСА

А)

Б)

В)

20. В зависимости от способа регистрации и измерения интенсивности спектральных линий различают

А) визуальный метод АЭСА

Б) фотографический метод АЭСА

В) фотометрический метод АЭСА

Г) все перечисленные

21. … методы основаны на визуальной регистрации и фотометрии (определении почернения интенсивности спектральной линии) анализируемой пробы.

А) визуальные

Б) фотографические

В) фотометрические

22. Визуальные методы можно использовать только для исследования спектров с длинами волн

А) до 1000 нм

Б) 200-1000 нм

В) 400-700 нм

23. Фотографические методы предусматривают

А) визуальный контроль и анализ

Б) фотографирование спектров спектрографами

В) компьютерный контроль и анализ

24. … - это способность прибора пространственно разделять пучки лучей различных длин волн

А) дисперсия

Б) рефракция

В) интерференция

25. Метод применяется, когда нельзя использовать стандартные образцы

А) постоянного градуировочного графика

Б) трех стандартных образцов

В) добавок

1 в, 2 в, 3 а, 4 б, 5 а, 6 г, 7 б, 8 а, 9 в, 10 б, 11 а, 12 в, 13 б, 14 а, 15 в, 16 б, 17 а, 18 в, 19 б, 20 г, 21 а, 22 в, 23 б, 24 а, 25 в.