Атомно-флуоресцентный метод анализа. Принцип действия метода и область применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ)

Кафедра "Природная и техногенная безопасность и управление риском"

Реферат

"Атомно-флуоресцентный метод анализа. Принцип действия метода и область применения"

Студент Голубев А.Л.

Руководитель Бурьян А.В.

Москва 2016

Введение

Физические и физико-химические методы анализа включают два больших раздела - спектроскопические и электрохимические методы.

В спектроскопические методы включены методы эмиссионной фотометрии пламени, атомно-абсорбционной спектроскопии пламени, абсорбционной молекулярной спектроскопии и люминесцентный; в электрохимические - потенциометрический (в том числе с использованием ионоселективных электродов), кулонометрический, полярографический и амперометрический методы.

Наряду с перечисленными методами в современных аналитических лабораториях используют и другие методы: атомно-флуоресцентный анализ, рентгеновские методы, искровую и лазерную масс-спектрометрию, радиоспектроскопические, ядерно-физические и радиохимические методы.

Под атомно-флуоресцентным анализом принято понимать способ определения концентрации примесных атомов в исследуемом образце, основанный на измерении интенсивности флуоресценции атомов или ионов определяемых компонентов. Флуоресценция является одним из основных видов фотолюминесценции. Под последней понимается избыточная спектральная яркость свечения вещества под воздействием света по отношению к яркости излучения абсолютно черного тела при данной температуре. [1]

Данный метод используется главным образом для анализа атомарных элементов.

Понятие атомно-флуоресцентного анализа, состав установки для его проведения

Атомно-флуоресцентный метод - метод количественного элементного анализа по атомным спектрам флуоресценции. Пробу анализируемого вещества превращают в атомный пар и облучают для возбуждения флуоресценции таким излучением, которое поглощают атомы только определяемого элемента (длина волны излучения соответствует энергии электронных переходов этих атомов). Часть возбужденных атомов излучает свет - аналитический сигнал, регистрируемый спектрофотометрами. [2]

Установка для атомно-флуоресцентного анализа включает те же блоки, что и установка для атомно-абсорбционного анализа, а именно: интенсивный источник резонансного излучения, служащий для оптического возбуждения атомов определяемого элемента, пламя, играющее роль аналитической ячейки, и спектральный прибор с фотоэлектрической регистрацией, установленный под прямым углом к направлению падающего на пламя пучка света и служащий для измерения флуоресценции атомов в пламени.

Обычно используют резонансную флуоресценцию, при которой длины волн поглощенного и излученного света одинаковы. Для атомизации растворов применяют пламена, индуктивно связанную плазму или электротермические атомизаторы (нагреваемые электрическим током графитовые трубки, нити, стержни, тигли).

Атомизацию порошкообразных проб осуществляют в графитовых тиглях или капсулах, которые иногда вносят в пламя для дополнительного нагрева паров пробы. Химический состав пламен выбирают так, чтобы выход флуоресценции (доля поглощенной энергии, излучаемой в виде флуоресценции) и степень атомизации были максимальны. С целью увеличения выхода электротермические атомизаторы обычно помещают в атмосферу аргона. Для возбуждения флуоресценции используют интенсивные лампы с линейчатым или непрерывным спектром, а также лазеры с перестраиваемой длиной волны (лазеры на красителях).

Лазер на красителе обладает следующими уникальными характеристиками: атом флуоресценция ион

· излучением,

непрерывно перестраиваемым в видимой области спектра, а при использовании удвоения частоты вплоть до 250 нм;

· чрезвычайно высокими пиковыми мощностями излучения, порядка нескольких десятков киловатт;

· высокой степенью когерентности, как пространственной, так и временной, что приводит к очень высоким плотностям мощности (малый размер пятна) и малой ширине линии (монохроматичность);

· при импульсном режиме очень низкой скважностью, что позволяет достичь максимального значения отношения сигнал-шум при использовании стробирующей аппаратуры для систем с ограниченным фоновым шумом. [2]

Применяют также нерезонансную флуоресценцию, при которой длины волн возбуждающего и рассеянного света не совпадают с длиной волны флуоресценции. В этом случае эффективное возбуждение достигается только с использованием лазеров.

Принцип действия метода

В основе количественного анализа лежит соотношение:

где I и I0-интенсивности соответствующего аналитического сигнала и источника возбуждения,-энергетический выход,-телесный угол сбора флуоресценции, С-концентрация элемента, k-коэффициент, характеризующий поглощение света,=3,14. С помощью стандартных образцов (не менее трех) строят градуировочный график в координатах lgI-IgC. Обычно графики линейны в области до 2 порядков величины концентраций определяемого элемента. [2]

Аналитический сигнал в атомно-флуоресцентном анализе формируется на фоне шумов регистрирующей схемы и рассеянного света. Последний возникает в результате рассеяния излучения источника возбуждения на оптических неоднородностях паров и на частицах пробы в атомизаторах. При больших интенсивностях рассеянного света выделение из шума сигнала резонансной флуоресценции затруднено, поскольку длина волны аналитической линии совпадает с длиной волны рассеянного света. Для подавления влияния шума макрокомпоненты пробы отделяют и анализируют концентрат микроэлементов.

Для регистрации спектра флуоресценции применяют светосильные спектрофотометры с большим углом. Измеряют интенсивность излучения, распространяющегося под прямым углом к возбуждающему излучению (в этом направлении интенсивность рассеянного света обычно минимальна). Методом атомно-флуоресцентного анализа можно определять около 65 элементов; пределы обнаружения достигают 10-6*10-8 % (в порошках) и 10-3нг/мл (в растворах).

Анализ и обработка результатов измерений проводится в автоматическом режиме. Для этого разработаны методики анализа многих элементов для различных типов веществ. Методики реализованы в виде компьютерных программ. Во время измерения компьютер управляет всеми узлами спектрометра в соответствии с заданной программой анализа. Современный уровень надежности оборудования и устройство автоматической подачи образцов позволяют выполнять анализ непрерывно круглосуточно без участия оператора. По окончании измерений компьютер выполняет расчет концентраций. Результаты анализа передаются электронными средствами связи автоматически по указанным адресам, либо накапливаются в базе данных измерений для дальнейшей обработки. [2]

Преимущества и область применения метода

Атомно-флуоресцентный анализ легко автоматизируется, стоимость аппаратуры относительно невысока.

Высокая селективность метода, обусловленная очень узкими линиями атомной флуоресценции, дает возможность определять одновременно несколько элементов. Для этого вокруг атомизатора устанавливают соответствующее число светосильных спектрофотометров.

Данный метод применяется для анализа пород (земных, лунных), почв, природных, сточных вод, сталей, сплавов, пищевых продуктов, биологических объектов (крови, мочи), различных химических соединений, для дистанционного определения элементов в верхних слоях атмосферы. [2]

Специалисты указывают на перспективность атомно-флуоресцентного анализа и считают, что его применение в ряде случаев обеспечит большую чувствительность определения, чем эмиссионный и атомно-абсорбционный анализы.

Атомно-флуоресцентный анализ близок к атомно-абсорбционному анализу. С помощью этого метода решают не только задачи, выполняемые атомно-абсорбционным анализом, он позволяет определить отдельные атомы в газовой среде. [3]

Отдельные преимущества этого метода по сравнению с атомной абсорбцией связаны с техникой эксперимента при определении предельно малых концентраций элементов. При атомно-абсорбционном анализе очень малые концентрации элемента в пламени вызывают очень небольшое ослабление излучения лампы с полым катодом. Чтобы снизить предел обнаружения, необходимо применять метод растянутой шкалы и производить измерения этой малой разности очень тщательно. При атомно-флуоресцентном анализе незначительные концентрации элемента в пламени дают очень слабый сигнал, а отсутствие этого элемента обнаруживается по полному пропаданию сигнала. Чтобы найти малые концентрации методом атомной флуоресценции, необходимо измерять очень слабые световые сигналы и снижать фоновое излучение. Измерение малых разностей больших световых сигналов является более трудной задачей, чем измерение малых сигналов относительно нулевого фона. Поэтому можно предположить, что атомная флуоресценция способна обеспечить лучшие значения пределов обнаружения некоторых элементов в удачно выбранных основах.

В некоторых случаях атомно-флуоресцентный анализ является единственно возможным аналитическим приемом. Последнее относится, в частности, к измерению концентрации свободных атомов в верхних слоях атмосферы и в плазме термоядерных установок. [3]

Заключение

Спектроскопия открыла широкие возможности для получения информации фундаментального характера во многих областях науки. Так, в астрономии собранные с помощью телескопов спектральные данные об атомах, ионах, радикалах и молекулах, находящихся в звездном веществе и межзвездном пространстве, способствовали углублению наших знаний о таких сложных космологических процессах, как образование звезд и эволюция Вселенной на ранней стадии развития.

До сих пор для определения структуры биологических объектов широко применяется спектроскопический метод измерения оптической активности веществ. По-прежнему при изучении биологических молекул измеряются их спектры поглощения и флуоресценция. Флуоресцирующие при лазерном возбуждении красители используются для определения водородного показателя и ионных сил в клетках, а также для исследования специфических участков в белках. С помощью резонансного комбинационного рассеяния зондируется структура клеток и определяется конформация молекул белков и ДНК. Важную роль сыграла спектроскопия при изучении фотосинтеза и биохимии зрения. Все большее применение находит лазерная спектроскопия и в медицине. Диодные лазеры используются в оксиметре - приборе, определяющем насыщенность крови кислородом по поглощению излучения двух разных частот ближней ИК-области спектра. Изучается возможность использования лазерно-индуцируемой флуоресценции и комбинационного рассеяния для диагностики рака, болезней артерий и ряда других заболеваний. [3]

Используемая литература

1. Зайдель А.Н., Атомно-флуоресцентный анализ. Физические основы метода. М.: 1980 г. - 356 с.

2. Основы аналитической химии, в 2 кн. Кн.2 Методы химического анализа Ю.А. Золотов, Е.Н. Дорохова, В.И. Фадеева и др. /Под ред. Ю.А. Золотова 3-е изд., перераб. и доп.- М., Высшая шк., 2004 г. - 503 с.

Размещено на Allbest.ru