Лекция 9
Атомно – абсорбционный спектральный анализ
План:
Теоретические основы
Основные узлы приборов для атомно – абсорбционного анализа (ААА)
Количественные определения
Практическое применение и характеристика метода
1. Атомно – абсорбционный анализ – это физический метод определения концентрации по поглощению слоем паров элемента монохроматического света, длина волны (λ) которого соответствует центру линии поглощения.
Атомное поглощение, как и молекулярное, характеризуется экспоненциальным законом убывания интенсивности проходящего света в зависимости от длины поглощающего слоя, аналогичным закону Бугера
(9.1)
где А – оптическая плотность поглощения;
I0, I – интенсивности падающего и прошедшего света;
k ν – коэффицент поглощения, зависящий от частоты света;
с – концентрация поглощающих атомов;
b – толщина поглощающего слоя.
В атомно-абсорбционном анализе анализируемое вещество под действием тепловой энергии разлагается на атомы. Этот процесс называется атомизацией.
При поглощении кванта света hν свободный атом переходит в возбужденное состояние.
ν-частота, определяемая условием частот Бора:
(9.2
где ЕА*, ЕА – энергия атома в возбужденном и основном состояниях соответственно.
Наиболее вероятным изменением энергетического состояния атома при возбуждении является его переход на уровень, ближайший к основному энергетическому состоянию, т.е. резонансный переход.
При направлении излучения с частотой, равной частоте резонансного перехода, на невозбужденный атом, кванты света будут поглощаться атомами и интенсивность излучения будет уменьшаться. Это и составляет основу атомно-абсорбционного анализа.
Таким образом, если в эмиссионной спектроскопии концентрация вещества связывалась с интенсивностью излучения, которое было прямо пропорционально числу возбужденных атомов, то в ААА аналитический сигнал связан с числом невозбужденных атомов.
2. Принципиальная схема установки атомно-абсорбционного спектрометра (ААС) приведена на рис. 9.1.
Рис. 9.1 Схема установки ААС
1 – источник излучения; 2 – пламя; 3 – монохроматизатор; 4 – приемник света; 5 – анализируемый раствор.
Источником излучения является лампа с полым катодом, содержащим определяемый элемент. Свет от лампы полого катода, излучающий дуговой спектр определяемого металла, проходит через пламя горелки и разлагается монохроматором (М) в спектр. Монохроматор выделяет необходимую аналитическую линию, интенсивность свечения которой регистрируется фотоэлектрическим приемником. При отсутствии в пламени поглощающих атомов показание регистрирующего прибора должно быть максимальным. Анализируемый раствор с помощью распылителя переводится в аэрозоль и подается в пламя горелки. Под действием высокой температуры растворитель испаряется, а находящиеся в растворе соли распадаются на атомы, способные поглощать. С повышением содержания определяемого элемента в анализируемом растворе увеличивается количество поглощающих атомов в пламени.
3. Согласно уравнению (9.1) оптическая плотность А прямо пропорциональна концентрации вещества с. Опыт показывает, что эта зависимость часто оказывается не строго линейной. Отклонения от линейности вызываются нестабильностью работы различных узлов спектрофотометра, немонохроматичностью линий испускания, образованием в пламени различных соединений определяемых элементов с кислородом или сопутствующими элементами и т.д.
Количественные определения методом ААА проводятся по следующей схеме:
1. Растворение пробы и введение растворов в виде аэрозоля в пламя горелки или испарение в анализаторе с целью получения светопоглощающего атомарного пара.
2. Облучение атомарного пара источником света.
3. Разложение света, прошедшего через атомарный слой и выделение линии поглощения.
4. Оценка степени поглощения света выделенной длины волны стандартных и анализируемых растворов.
5. Определение градуировочной характеристики и расчет концентрации определяемого компонента.
В практике анализа применяют метод градуировочного графика и метод добавок.
4. Методы ААС используются в анализе, где необходимо определять небольшие содержания элементов. Методики ААС разработаны более чем для 70 элементов. Например, в золоте определяют прмеси серебра, свинца, меди и цинка при содержании их 10-4 %. Успешно применяются эти методики для определения Zn, Fe, Mg,Cu и некоторых других элементов в почвах, удобрениях, растениях при содержании порядка 10-4-10-5 %. ААА используется также в клинических и различных биологических анализах на Рв, Нg, Вi и другие элементы.
Важным достоинством ААС является наличие менее жестких требований, чем в эмиссионной спектроскопии, к условиям получения поглощающей плазмы, поскольку аналитический сигнал зависит от числа невозбужденных атомов, которое сравнительно мало меняется при небольших колебаниях температуры. Существенно также, что число линий в спектре в условиях ААА невелико, поэтому наложения аналитических линий практически не происходит, хотя неселективное поглощение остается значительным.
Метод имеет также ряд ограничений. Методом ААА не определяются элементы, резонансные линии которых лежат в далеком ультрафиолете (углерод, фосфор, галогены и др.). К существенным недостаткам метода относится невозможность одновременного определения нескольких элементов.