13. Атомно-абсорбционная спектрометрия (сущность метода, принципиальная схема, количественное определение компонента, область применения).

Метод атомно-абсорбционной спектрометрии - это количествен­ный элементный метод анализа. Пределы обнаружения для большинства элементов составляют 10-⁴-10-6%масс. в пламенном варианте, 10-⁷-10-⁹%масс. в электротермическом варианте. На практике чаще используют для определения содержания металлов. Любая проба пе­ред анализом должна быть переведена в жидкую форму.

Метод основан на измерении поглощения (абсорбции) электромагнитного излучения УФ и видимого диапазонов атомами вещества в свободном невозбужденном состоянии, которые образуются при распаде вещества в пламени горелки или в графитовой кювете.

Атомы поглощают фотоны, соответствующие переходу из основного состояния в возбужденное. В результате падающее излучение 1о, проходящее через атомный пар, ослабляется до 1_пр. Зависимость степени поглощения излучения от концентрации атомов элемента описывается уравнением основного закона светопоглощения (уравнением закона Бугера-Ламберта-Бера): , где 1₀ - интенсивность падающего излучения; 1_пр - интенсивность прошедшего через атомный пар излучения; d- толщина слоя атом­ного пара (длина оптического пути); к - атомный коэффициент по­глощения, эмпирическая величина; с- концентрация вещества. В логарифмической форме это уравнение имеет вид , где А - величина абсорбции прямо пропор­циональна концентрации вещества и длине оптического пути

Линейная зависимость абсорбции от концентрации сохраняется для монохроматического света при отсутствии различных спек­тральных и физико-химических помех. Спектральные помехи: по­глощение и излучение фона (поглощение неатомизированными час­тицами, излучение от возбужденных частиц, свет самого пламени) -компенсируются конструктивно (эффект Зеемана, модуляция). Уменьшение влияния физико-химических помех (неполнота атомизации, образование оксидов металлов, ионизация) производится до­бавлением спектроскопических (солей лантана) и ионизационных буферов (солей щелочных металлов) в анализируемый раствор.

Атомные абсорбционные спектрометры Измерение поглощения электромагнитного излучения произво­дится на приборах, называемых атомно-абсорбционными спектро­фотометрами, принципиальную схему которых можно представить следующим образом:

1 - источник излучения; 2 - модулятор; 3 - горелка (или графитовая трубка);

4 - монохроматор; 5 - фотодетектор; 6 - записывающее устройство

Источники излучения. Атомы элемента поглощают излучение, имеющее ту же длину волны, что и излучение, выделяемое ими при переходе из возбужденного состояния (закон Кирхгофа). Поэтому в качестве источников используют источники линейчатых спектров: лампы с полым катодом, безэлектродные разрядные лампы (заполнен­ные летучим соединением того элемента, который будут определять).

Лампа с полым катодом представляет собой стеклянный баллон с .кварцевым окном (рис.11.2), заполненный инертным газом. Цилиндр катода изготовляют из того металла, который нужно определятьК встроенным катоду и аноду прикладывают высокое напряжение. Под действием высоковольтного разряда атомы инертного газа ионизируются, направляются к катоду и выбивают из него атомы металла, которые возбуждаются и испускают излучение с характерным для него линейчатым спектром. Излучение направляют через окно на пламя (или в графитовую кювету), где находятся атомы определяемого элемента, поглощающие резонансное излучение источника.

Атомизаторы. В качестве атомизатора используют источники энергии которых хватает только для распада вещества на атомы, но не для возбуждения атомов. Количество возбужденных атомов не должно превышать 0.02 - 0.1% от их общего числа. Этим требованиям удовлетворяют пламенные и электротермические атомизаторы, в которых используется тепловая энергия.

Пламенный атомизатор представляет собой щелевую горелку, в которую подаются горючий газ, газ-окислитель, проба через распылитель. Ширина горелки является длиной оптического пути.

В качестве окислителя и горючего газа можно использовать воздух - ацетилен (температура пламени 2200-23 00°С) или закись азота - ацетилен (температура пламени порядка 2700-2950°С).

Электротермический атомизатор представляет собой графито­вую кювету (трубку) длиной 5 или 10 сантиметров и внутренним диаметром до 1 см с кварцевыми окошками в торцах. Графитовая трубка быстро нагревается электрическим током большой силы и проба, которая подается дозатором через отверстие в трубке, мгно­венно испаряется, заполняя атомным паром трубку.

\Графитовая трубка находится в среде инертного газа (аргона), • что исключает образование труднодиссоциируемых оксидов метал­лов при сгорании пробы в атмосфере кислорода воздуха в пламен­ном режиме. Кроме того, в графитовой трубке степень атомизации веществ выше, поскольку время пребывания атомов в трубке 1-1,5 с что значительно больше времени пребывания частиц в атомарном состоянии (10"³ сек), присущих атомизации пробы в пламени. По­этому при определении следовых количеств элементов, когда тре­буется очень высокая чувствительность, рекомендуется использо­вать электротермический атомизатор.

Монохроматор. Монохроматор служит для выделения узкого участка спектра; его основные детали - щели, линзы, зеркала и дис­пергирующие элементы (призмы, дифракционные решетки и др.).

Детектор. Детектор преобразует падающую на него световую энергию в электрический сигнал. В атомно-абсорбционных спек­трофотометрах для этой цели всегда используют фотоэлементы, фотоумножители.