Спектральные методы анализа
Характеристика спектрофотометрического метода анализа. Важнейшие законы светопоглощения. Причины отклонений от закона Бора в спектрофотомерии. Характеристика люминесцентных и атомно-эмиссионных методов анализа. Особенности инфракрасной спектроскопии.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 09.11.2017 |
| Размер файла | 820,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Промышленный экологический мониторинг»
на тему «Спектральные методы анализа»
ВЫПОЛНИЛ
ст. гр. МАГ01-13-01
Шарифисламов А.Б.
ПРОВЕРИЛ
Доцент Прахова М.Ю.
Уфа 2013
СОДЕРЖАНИЕ
- ВВЕДЕНИЕ
- 1. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА
- 1.1 Общая характеристика метода
- 1.2 Важнейшие законы светопоглощения
- 1.3 Причины отклонений от закона Бера в спектрофотометрии
- 1.4 Аппаратура в спектрофотометрии
- 2. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
- 3. ИНФРАКРАСНАЯ СПЕТРОСКОПИЯ
- 4. АТОМНО-ЭМИССИОННЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
- 4.1 Общая характеристика метода
- 4.2 Атомизаторы в атомной эмиссии
- 4.3 Аппаратура в атомно-эмиссионном анализе
- СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
- ВВЕДЕНИЕ
- Спектральные методы анализа - это методы, основанные на определении химического состава и строения веществ по их спектру.
- Спектром вещества называют упорядоченное по длинам волн электромагнитное излучение, испускаемое, поглощаемое, рассеиваемое или преломляемое веществом. Методы, основанные на получении и изучении спектров испускания (эмиссии) электромагнитного излучения (энергии), называют эмиссионными, поглощения (абсорбции) - абсорбционными, рассеяния - методами рассеяния, преломления - рефракционными.
- Спектр вещества получают, воздействуя на него температурой, потоком электронов, световым потоком (электромагнитной энергией) с определённой длиной волны (частоты излучения) и другими способами. При определённой величине энергии воздействия вещество способно перейти в возбуждённое состояние. При этом происходят процессы, приводящие к появлению в спектре излучения с определённой длиной волны.
- Излучение, поглощение, рассеяние или рефракция электромагнитного излучения может рассматриваться как аналитический сигнал, несущий информацию о качественном и количественном составе вещества или о его структуре. Частота (длина волны) излучения определяется составом исследуемого вещества, а интенсивность излучения пропорциональна числу частиц, вызвавших его появление, т.е. количеству вещества или компонента смеси.
- Каждый из аналитических методов обычно использует не полный спектр вещества, охватывающий диапазон длин волн от рентгеновских излучений до радиоволн, а только определённую его часть. Спектральные методы обычно различают по диапазону длин волн спектра, являющемуся рабочим для данного метода: ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские, инфракрасные (ИК), микроволновые и т.д.
1. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА
1.1 Общая характеристика метода
Спектрофотометрией обычно называют метод оптического молекулярного абсорбционного анализа (иногда в это понятие включают и метод атомно-абсорбционного анализа). Объектом спектрофотометрических измерений, как правило, являются растворы. Фотометрируемый раствор помещают в кювету -- сосуд с плоскими параллельными прозрачными гранями.
Спектрофотометрический метод, будучи абсорбционным, основан на измерении поглощения света. Его чаще всего измеряют косвенно -- путем сравнения интенсивностей света внешнего источника, падающего на образец и прошедшего сквозь образец.
спектрофотометрический люминесцентный инфракрасный спектроскопия
1.2 Важнейшие законы светопоглощения
Закон Бугера-Ламберта-Бера. Пусть слой однородной среды толщиной dl содержит светопоглощающее вещество в концентрации с. Через него пропускают монохроматический световой поток интенсивности I. Интенсивность света на выходе из слоя равна I + dI, причем dl < 0 (поток ослабляется). Экспериментально было установлено, что доля поглощенного света - dI/I прямо пропорциональна толщине слоя и концентрации поглощающего вещества:
(1.1)
Интегрируя это выражение, получаем:
(1.2)
Интенсивность светового потока, падающего на образец (т.е. при l= 0) обозначим как Iо. Подставляя в (1.2) l = 0 и I = I0, находим, что const = - ln I0. Подставляя это значение в (1.2) и переходя от натуральных логарифмов к десятичным, получаем:
(1.3)
(здесь k = 2.303).
Величина I/I0 называется пропусканием и обозначается Т (0 < Т < 1). Величина
' (1.4)
называется оптической плотностью (значению Т = 1 соответствует А = 0, а Т = 0 -- А = + оо). Коэффициент k называется коэффициентом поглощения.
Выражение (1.3) является основным законом светопоглощения и называется законом Бугера-Ламберта-Бера.
Если концентрация поглощающих частиц выражена в моль/л, а толщина слоя -- в сантиметрах, то коэффициент поглощения обозначается буквой е и называется молярным коэффициентом поглощения. Общепринятая форма записи закона Бугера-Ламберта-Бера в спектрофотометрии выглядит как
А = elc (1.5)
1.3 Причины отклонений от закона Бера в спектрофотометрии
В действительности линейный характер зависимости А от с часто нарушается -- особенно в области высоких концентраций и/или значений оптических плотностей. Основные причины этого явления состоят в следующем.
Немонохроматичность источника и влияние рассеянного света. На практике эта причина является основной. При выводе закона Бера было сделано предположение о строгой монохроматичности источника света. В действительности в спектре испускания любого источника всегда присутствуют фотоны различных длин волн.
Такие же отклонения от закона Бера вызывает и влияние рассеянного света -- некоторой части света источника, в силу неидеальности оптической схемы прибора попадающей непосредственно на детектор, минуя фотометрируемый образец.
Указанные причины относятся к числу инструментальных. Они приводят к кажущимся нарушениям закона Бера, поскольку при этом не соблюдаются предпосылки, положенные в основу его вывода.
Физико-химические процессы. Обратим внимание, что в выражении закона бера величина с представляет собой равновесную концентрацию поглощающих частиц определенного сорта. При построении же концентрационной зависимости А от с по оси абсцисс откладывают общую концентрацию растворенного вещества. Несовпадение этих величин может привести к нарушению закона Бера. Отклонение от линейной зависимости будет иметь место тогда, когда на глубину протекания физико-химических процессов с поглощающим веществом оказывает влияние его концентрация. Это -- процессы ассоциацин-днссоциации.
Влияние показателя преломления. На гранипе раздела двух сред некоторая доля падающего света всегда отражается. Эта доля зависит от показателей преломления сред. Если показатель преломления раствора зависит от его концентрации, то от нее зависит и доля отраженного кюветой света и, следовательно, измеренное значение оптической плотности. Эта причина нарушения закона Бера является истинной, так как обусловлена действием факторов, не учтенных при его выводе. На практике ею обычно можно пренебречь, поскольку в спектрофотометрии, как правило, имеют дело с разбавленными растворами, показатель преломления которых можно считать не зависящим от концентрации.
Все рассмотренные причины приводят к нарушению не только закона Бера, но и закона аддитивности. [1]
1.4 Аппаратура в спектрофотометрии
Принципиальная схема прибора для измерения оптической плотности растворов приведена ниже
Источники. В молекулярной абсорбционной спектроскопии в качестве источника в основном используют лампы накаливания, испускающие
Рисунок 1.1 Принципиальная схема прибора для измерения оптической плотности
непрерывное излучение. В УФ-области применяют водородные, дейтериевые, ксеноновые лампы, излучающие свет с длинами волн не менее 350 нм. Это газоразрядные трубки, представляющие собой баллоны из кварца, заполненные газом под высоким давлением. В результате электроразряда молекулы газа возбуждаются и возвращаются в исходное состояние, испуская непрерывный спектр. В ближней УФ, видимой и ближней ИК-областях (350...3000 нм) применяют вольфрамовые лампы, штифты Нернста, галогеновые лампы, нихромовые излучатели, глобаторы, лазеры.
Монохроматоры и светофильтры. В зависимости от способа монохроматизации различают два класса абсорбционных приборов: фотометры и спектрофотометры. В фотометрах используют светофильтры, в спектрофотометрах - призмы и дифракционные решетки.
Кюветы. В абсорбционной спектроскопии измеряют не абсолютные значения оптической плотности, а разность оптических плотностей исследуемого раствора и раствора сравнения, оптическая плотность которого принята за нуль. Кювету с исследуемым раствором называют рабочей, а с раствором сравнения - кюветой сравнения. Кюветы должны быть прозрачны в области спектра, в которой ведётся измерение оптической плотности. Для работы в видимой области кюветы изготавливают из стекла, а в ультрафиолетовой - из кварца.
Детекторы. Для приёма сигнала в видимой и УФ-областях обычно применяют сурьмяно-цезиевый (180...650 нм) и кислородно-цезиевый (600...1100 нм) фотоэлементы, а также фотоумножители.
К этим основным узлам следует добавить оптическую систему, состоящую из линз, зеркал и призм. Они служат для создания параллельного пучка света, изменения его направления. Для уравнения световых потоков служат диафрагмы, оптические клинья.
Фотоэлектроколориметры (ФЭК) имеют простую конструкцию и пригодны для измерения концентраций веществ в видимой и ближней УФ-области. Спектрофотометры имеют более сложную конструкцию, их применяют для получения спектров поглощения и для измерения концентраций веществ. Оптические детали изготавливают из кварца, что позволяет измерить светопоглощение в видимой и УФ-области.
В зависимости от способа измерения различают одно- и двухлучевые приборы, от способа регистрации - регистрирующие и нерегистрирующие.
В двухлучевых приборах излучение от источника разделяется на два потока. Один из них проходит через исследуемый раствор, другой - через раствор сравнения. Оба оптических пути должны быть идентичны; для этого прибор снабжён двумя идентичными наборами светофильтров, детекторов, зеркал и линз. В современных приборах стремятся заменить пару деталей (например, детекторов) одной. Для регистрации сигнала, как правило, используют компенсационную схему, основанную на уравнивании фототоков регулированием щели.
Двухлучевые спектрофотометры построены по тому же принципу, что и фотоэлектроколориметры, но схемы их более сложны. К ним относятся SPECORD 250, SPEKOL 2000 и др.
В однолучевых приборах излучение от источника проходит только через кювету сравнения или кювету с исследуемым раствором поочередно (например, SPECORD 40, СФ-46).
Однолучевой спектрофотометр СФ-46 (рисунок 1.2) со встроенной микропроцессорной системой предназначен для измерения коэффициента пропускания и оптической плотности жидкостей и твёрдых веществ в области 190...1100 нм. Диспергирующим элементом для сканирования излучения по длине волны служит дифракционная решётка.
1 - дифракционная решетка; 2 и 6 - выходная и входная щели; 3 - линза; 4 - светочувствительная линза; 5 - поворотное зеркало; 7 - светофильтр; 8 - система зеркал (сферических и плоских); 9 и 9' - источники излучения; 10 - плоскоповоротное зеркало; 11 и 12 - светочувствительные фотоэлементы
Рисунок 1.2 Блок-схема спектрофотометра СФ-46.
Источниками сплошного излучения, обеспечивающими работу прибора в широком диапазоне длин волн, служат дейтериевая лампа (область 186...350 нм) и лампа накаливания (320...1100 нм). Приёмниками излучения (болометрами) служат соответственно сурьмяно-цезиевый (в области 186...650 нм) и кислородно цезиевый (в области 600...1100 нм) фотоэлементы.
Техническая характеристика прибора:
* диапазон измерений коэффициента пропускания 3...100 %;
* абсолютная погрешность измерения коэффициента пропускания 1 %;
* стандартное отклонение пропускания, не более 0,1 %.
Кроме первичных оптических характеристик исследуемых веществ (коэффициента пропускания и оптической плотности), конструкция спектрофотометра СФ-46 позволяет определить концентрацию анализируемых веществ (с помощью микропроцессорной системы), а также скорость изменения оптической плотности, что важно для изучения кинетики химических реакций в растворах. [2]
2. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Люминесцентный анализ - это исследование свечения атомов, молекул и других частиц, которые возникают в результате электронного перехода при возвращении из возбужденного состояния в основное.
Исследуемые молекулы приводят в состояние оптического возбуждения, а затем регистрируют интенсивность люминесценции, возникающей в результате испускания возбужденными молекулами квантов света при возвращении молекул в основное состояние. Некоторые вещества обладают люминесцентными свойствами, некоторые вещества могут люминесцировать после обработки специальными реактивами. Возбуждение атомов может осуществляться в результате химических реакций (хемилюминесценция), протекания тока (электролюминесценция), поглощения света (флуоресценция) под воздействием ультрафиолетовых (фотолюминесценциях), рентгеновских (ренгенолюминесценция) и радиоактивных (радиолюминесценция) лучей. [3]
Люминесценция - один из самых чувствительных методов анализа - применяется для определения следовых количеств элементов. В отличие от спектрофотометрии, где измеряют разность двух сигналов (I0 и I), в люминесценции измеряют сам сигнал, и предел обнаружения зависит от интенсивности источника и чувствительности детектора. Метод люминесценции позволяет определять 10...10 - 4 мкг?см3 вещества.
При резонансной люминесценции квант излучения, испускаемый частицей, равен поглощенному кванту (рисунок 2.1, а). Резонансная люминесценция характерна преимущественно для атомов, а также для простейших молекул, находящихся в газообразном состоянии при низких давлениях.
При этом выделяют особый вид резонансной люминесценции -- атомную флуоресценцию, т. е.свечение атомов в газовой фазе, возбуждаемое световыми квантами.
Возбужденная частица при взаимодействии с окружающими частицами может передать последним часть энергии в виде тепла и перейти на уровень 2 (рисунок 2.1, б).
a) Резонансная б) Спонтанная в) Вынужденная
Рисунок 2.1 Виды люминесценции по механизму элементарных процессов
При резонансной и спонтанной люминесценции вероятность возвращения частиц из возбужденного состояния в основное определяется внутренними свойствами частиц и не зависит от температуры. Люминесценция, возникающая при переходе частицы с возбужденного уровня 2 на основной уровень, называется спонтанной. Уровень испускания 2 лежит ниже уровня 3 и поэтому излучаемый квант оказывается меньше поглощенного. Спонтанная люминесценция характерна для паров и растворов сложных молекул
В ряде случаев возбужденная частица, прежде чем перейти на излучательный уровень 2, оказывается на промежуточном метастабильном уровне 4, непосредственный переход с которого на основной уровень является запрещенным (рисунок 2.1, в). Для перехода на излучательный уровень 2 частице необходимо сообщить дополнительную энергию в виде тепла или света.
Люминесценция, отвечающая такому механизму, называется вынужденной, и очевидно, что длительность свечения частиц в этом случае будет существенно зависеть от температуры. [4]
Вынужденная люминесценция характерна для сложных органических молекул, находящихся при низкой температуре или помещенных в вязкие или стеклообразные среды (желатина, полимерные пленки, сахарные леденцы). У таких молекул метастабильным обычно является триплетный уровень.
Методы, основанные на собственной люминесценции веществ, исключительно селективны в отличие от методов определения элементов, использующих органические реагенты. Избирательность люминесцентного анализа можно повысить, варьируя экспериментальные условия (длину волны возбуждения и регистрации сигнала, время наблюдения в фосфоресцентных методах, химические параметры, например рН раствора, температуру и т.д.).
Люминесценцию широко применяют для определения органических веществ (например, витамины, лекарства, наркотики). В неорганическом анализе люминесцентный анализ используют в основном для определения редкоземельных элементов, а также малых количеств примесей в полупроводниковых материалах.
Отечественная промышленность выпускает Флюорат-02. Анализатор жидкости Флюорат-02-2М (далее - анализатор) предназначен для измерения массовой концентрации неорганических и органических примесей в воде, а также воздухе, почве, технических материалах, продуктах питания.
Область применения анализатора - аналитический контроль объектов окружающей среды; санитарный контроль и контроль технологических процессов. Анализатор может быть использован в качестве детектора в хроматографии.
Устройство и работа анализатора. Принцип работы анализатора иллюстрируется оптической (рисунок 2.2) и структурной (рисунок 2.3) схемами.
Оптическая схема анализатора (рисунок 2.2) может быть условно разбита на три канала: опорный (возбуждения); регистрации люминесценции и пропускания (фотометрический).
В опорном канале излучение ксеноновой лампы 1, работающей в импульсном режиме, проходит через систему зеркал (два прямых 2, 4 и одно сферическое 3), светофильтр 5, выделяющий спектральную область возбуждения, отражается от светоделительной пластины 6 и попадает на приёмник излучения 7 опорного канала.
1 - источник света; 2 - 4 - система зеркал канала возбуждения; 5 - светофильтр канала возбуждения; 6 - светоделительная пластина опорного канала; 7 - фотоприёмник опорного канала; 8 - фотоприёмник канала регистрации; 10, 12 - фокусирующие линзы канала регистрации; 11 - светофильтр канала регистрации; 13 - кювета; 14 - светоделительная пластина канала пропускания; 15 - фокусирующее зеркало канала пропускания; 16 - фотоприёмник канала пропускания
Рисунок 2.2 Оптическая схема анализатора Флюорат-02-2М.
Электрический сигнал от этого приёмника называется сигналом сравнения и служит для учёта нестабильности работы лампы от импульса к импульсу, а также для запуска импульсной электронной схемы регистрации и обработки сигналов.
В канале пропускания излучение ксеноновой лампы 1 проходит через систему зеркал 2 - 4, светофильтр канала возбуждения 5, светоделительную пластину 6, кварцевую кювету с образцом 13 и, отражаясь от светоделительной пластины 14 и зеркала 15, попадает на приёмник излучения 16 канала пропускания. Электрический сигнал от этого приёмника зависит от оптической плотности образца и называется сигналом пропускания.
Под действием излучения ксеноновой лампы в кювете с образцом происходит возбуждение люминесценции растворённых веществ. В канале регистрации излучение люминесцирующих компонентов пробы из кварцевой кюветы 13 проходит через собирающую линзу 12, светофильтр 11, выделяющий спектральную область регистрации, фокусирующую линзу 10 и попадает на приёмник излучения канала регистрации люминесценции 8 (ФЭУ). Электрический сигнал этого приёмника зависит от концентрации и состава определяемых веществ в растворе и называется сигналом люминесценции.
Структурная схема анализатора (рисунок 2.3) состоит из низковольтного блока питания, импульсного источника света, измерительного блока, включающего в себя фотоприёмники каналов опорного и пропускания, блока питания ФЭУ, самого ФЭУ, микропроцессорного контроллера и пульта управления с жидкокристаллическим графическим дисплеем (далее ЖК-дисплей) и клавиатурой.
Низковольтный блок питания преобразует переменное напряжение сети в нестабилизированное постоянное напряжение 12. В (при питании от сети переменного тока 220 В; при питании от источника постоянного тока 12 В в преобразовании нет необходимости), а затем в постоянное стабилизированное напряжение (+5 В, +15 В, -15 В), необходимое для питания блока питания ФЭУ, измерительного блока и контроллера.
Импульсный источник света вырабатывает световые импульсы длительности 100 мкс с частотой, определяемой микропроцессорным контроллером (5 Гц или 4 Гц).
Рисунок 2.3 Структурная схема анализатора Флюорат-02-2М
Измерительный блок содержит приёмники излучения, служащие для преобразования световых сигналов в электрические сигналы пропускания и сравнения и осуществляет регистрацию сигналов, поступающих от этих приёмников и от ФЭУ.
Блок питания ФЭУ состоит из генератора высоковольтного напряжения и управляющего микропроцессора. Генератор вырабатывает высоковольтное (1 кВ) стабилизированное напряжение, необходимое для работы ФЭУ. Микропроцессор управляет установкой напряжения на ФЭУ (чувствительностью ФЭУ), работой электромеханической шторки и фиксирует состояние перегрузки ФЭУ.
Панель управления служит для выбора режимов работы прибора, ввода и вывода значений исходных параметров и результатов измерения на ЖК-дисплей.
Микропроцессорный контроллер обеспечивает выполнение команд, поступающих с клавиатуры, хранение в оперативной памяти значений исходных параметров, контролирует работу всех систем, управляет запуском импульсного источника света, обменом данными по каналу RS-232, выводом данных и сообщений об ошибках на ЖК-дисплей.
Общий вид анализатора приведён на рисунке 2.4. [2]
1 - клавиатура; 2 - жидкокристаллический дисплей; 3 - флажок, замыкающий датчик крышки; 4 - крышка кюветного отделения; 5 - сдвижная заслонка; 6 - кюветное отделение
Рисунок 2.4 Общий вид анализатора Флюорат-02-2М
3. ИНФРАКРАСНАЯ СПЕТРОСКОПИЯ
Из всех свойств органических соединений ИК-спектр дает наибольшую информацию о структуре соединения. Как и масс-спектр, инфракрасный спектр характерен для данного органического соединения и используется для установления идентичности двух соединений, определения строения нового соединений. Исследуя колебательные спектры, можно установить пространственное строение молекул, охарактеризовать природу связи (полярность поляризуемость, кратность).
Рисунок 3.1 Схема энергетических уровней молекулы по электронным, колебательным и вращательным состояниям
Молекула постоянно колеблется: ее связи растягиваются (и сокращаются) и, кроме того, изгибаются относительно друг друга. Изменения колебаний молекул вызывает поглощение в инфракрасной области, лежащей за пределами красной области видимого спектра. Для указания положения поглощения в инфракрасной области используют длину волны или чаще частоту, которую выражают не в герцах, а в волновых числах.
Волновое число и энергия связаны между собой следующими соотношениями: 1 см-1= 2,858 кал/моль = 1,986 · 10-16 эрг/молекула=1,24 · 10-4 эВ/моль.
Волновое число ? это число волн, укладывающихся в 1 см (это величина обратная длине волны в сантиметрах).
Молекула в основном и возбужденном состояниях обладает некоторым набором дискретных энергетических уровней, которые квантованы. Наибольшая разность энергий между основным и возбужденным уровнем имеет место для электронных состояний. На них накладываются колебательные уровни, которые обусловлены различными типами колебаний в молекуле ( растягивание-сжатие связей, изменение углов между ними). Имеются и еще более близко расположенные уровни, называемые вращательными. Все эти энергетические состояния молекулы можно представить схемой энергетических уровней (рисунок 3.2).
Низкие по энергии переходы между колебательными уровнями в пределах одного электронного уровня происходят в результате поглощения излучения в инфракрасной области и исследуются методами инфракрасной спектроскопии.
Инфракрасные спектры обычно (но не всегда) записываются в виде зависимости процентного пропускания от волнового числа (в см-1). Современный двухлучевой спектрофотометр обычно регистрирует поглощенное инфракрасное излучение в виде процента интенсивности непоглощенного света при данной длине волны. Поглощение или оптическая плотность связано с пропусканием уравнением:
А= -lg (I/I0) (3.1)
Пропускание(Т) = 100 %, при А= 0 и равно отношению I/I0.
Принципиальная схема любого спектрального прибора (рис. 3.2) состоит из трех основных частей: осветительной I, спектральной(оптической) II, и приемно-регистрирующей III. В осветительную часть входят источник света 1 и конденсорные линзы или зеркала 2, равномерно освещающие входную щель прибора 4. В кювете 3 устанавливается исследуемый и эталонный образец.
Спектральная часть (монохроматор) содержит входной объектив 5 и диспергирующую систему6, выходной объектив 7. В фокальной плоскости 8 устанавливается регистрирующее устройство 9.
Рисунок 3.2 Принципиальная схема спектрального прибора
Источники излучения. В видимой и близкой ИК-областях применяются газонаполненные лампы с вольфрамовой нитью, в коротковолновой и средней областях - штифт Нерста, силитовый стержень (глобар). Изготавливается он из карбида кремния, диаметр его равен 4-6 мм; рабочее напряжение 35-50 В, сила тока 3-5 А, мощность излучения 150 - 250 Вт, температура1200 °С.
Монохроматор - оптический прибор, позволяющий производить измерения в широкой спектральной области и в очень узком интервале длин волн. Основным элементом монохроматора является диспергирующая система в виде призмы или дифракционной решетки. Фокусирующими элементами служат зеркала, т. к. невозможно изготовить линзы, которые были бы прозрачны в обычно используемом инфракрасном диапазоне частот.
Приемники излучения подразделяются на тепловые и фотоэлектрические.
В ИК-областях спектра в качестве приемника применяются фотоэлементы, фотосопротивления, болометры. Принцип действия болометра заключается в из-менении электрического сопротивления термочувствительного элемента при нагревании. Инфракрасное излучение, попадающее на болометр, вызывает слабый ток малого напряжения, который усиливается с помощью усилителя переменного тока с последующей записью спектральной кривой.
Регистрация спектров поглощения. Обычно спектр записывается с по-мощью самописца в координатах k= f(л) или k= f(н). Спектрофотометры по способу записи разделяются на однолучевые и двухлучевые. Современные двухлучевые спектрофотометры позволяют автоматически зарегистрировать инфракрасные спектры поглощения твердых, жидких веществ в процентах пропускания в различном диапазоне частот. Так, например, спектрофотометр ИКС-29 работает в интервале частот 4200-400 см-1
Градуировка обычно производится по эталонным спектрам (нормалям), волновые числа, максимумы, полосы поглощения которых точно известны (например, полистирол). Спектрофотометры - оптические приборы, позволяющие измерить отношение интенсивности двух световых потоков в зависимости от длины волны. Для повышения качества регистрации спектра поглощения исследуемым веществом желательно устранить сигнал фона- поглощения атмосферными газами, окнами кюветы, где находится образец, и т. д. С этой целью в спектрофотометре используется двухлучевая схема, позволяющая компенсировать фоновый сигнал(рисунок 3.3).
Рисунок 3.3. Принципиальная схема двухлучевого спектрофотометра
ИК-излучение от источника 1 делится на два пучка системой зеркал 2. Рабочий пучок проходит через кювету с образцом 3, а пучок сравнения - через компенсатор фона 4. С помощью дискомодулятора5 пучки попеременно направляются на входную щель монохроматора6 и через нее- на дифракционную решетку 7, которая разлагает излучение в спектр и направляет его на выходную щель 8. Монохроматическое изображение щели попадает на приемник - висмутовый болометр 9. В отсутствии исследуемого образца интенсивности рабочего пучка и пучка сравнения одинаковы, в приемнике сигналы от этих пучков вычитаются; на выходе сигнал отсутствует. При поглощении рабочего пучка исследуемым веществом на приемник попадают лучи различной интенсивности, в результате чего в приемнике возникает переменный сигнал. После усиления и преобразования сигнала приводится в движение перо самописца 10.
При медленном повороте решетки щель 8 последовательно вырезает узкие участки спектра, и на ленте самописца вычерчивается кривая зависимости пропускания от длины волны. [5]
4. АТОМНО-ЭМИССИОННЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
4.1 Общая характеристика метода
В методе атомно-эмиссионной спектроскопии измеряется испускание излучения оптического диапазона возбужденными свободными атомами. В атомной эмиссии, как и в атомной абсорбции, для перевода определяемого элемента в состояние атомного пара используется источник высокой температуры -- атомизатор. Одновременно здесь он является и источником возбуждения атомов. Таким образом, в атомно-эмиссионном методе возбуждение атомов имеет термический характер.
Атомы, находящиеся в возбужденных состояниях, могут испускать фотоны множества различных частот, давая многолинейчатый спектр (см. диаграмму справа). Переходы, завершающиеся в основном состоянии,составляют главную (резонансную) серию линий (соответственно, в абсорбционном спектре резонансные линии соответствуют переходам из основного состояния). Наблюдаемое число линий в атомных эмиссионных спектрах обычно гораздо больше, чем в абсорбционных. Действительно, интенсивность 1у спектральной линии с частотой vy= |Е,--Ej|/h прямо пропорциональна заселенности N) того энергетического уровня, с которого совершается переход:
(4.1)
В условиях термодинамического равновесия заселенность основного состояния намного выше, чем возбужденных, поэтому в атомных абсорбционных спектрах наблюдаются только линии, соответствующие переходам из основного состояния (резонансные). Для процессов же эмиссии переходы из основного состояния, очевидно, невозможны. Эмиссионные линии соответствуют переходам из различных возбужденных состояний (заселенности которых, как правило, соизмеримы между собой) в состояния с меньшими энергиями. Однако и в эмиссионных спектрах главная серия обычно имеет большую интенсивность, чем побочные.
4.2 Атомизаторы в атомной эмиссии
Рассмотрим основные типы атомизаторов, используемых в атомно-эмиссионном анализе, в порядке возрастания их рабочих температур.
Пламя. Диапазон их рабочих температур от 1500 до 3000°С. При столь низких температурах в заметной степени возбуждаются лишь атомы щелочных и щелочноземельных элементов (начиная с Са). Для определения этих элементов метод пламенной атомно-эмиссионной фотометрии является одним из лучших. Анализируемый раствор непрерывно распыляется в пламя с помощью форсунки -- точно так же, как и в атомно-абсорбционном анализе с пламенной атомизацией.
Электрическая дуга. Используется дуговой разряд как постоянного, так и переменного тока. Рабочие температуры составляют от 3000 до 7000°С. Таких температур достаточно для атомизации и возбуждения большинства элементов, за исключением некоторых очень трудно возбудимых неметаллов (например, галогенов). Анализируемый твердый образец используется в качестве одного из электродов (например, при анализе сплавов) или наносится в твердом виде на один из электродов, образующих дугу (обычно используются графитовые электроды). При анализе растворов их предварительно выпаривают с твердым порошкообразным коллектором (обычно также графитовым). Серьезный недостаток дугового атомизатора (особенно постоянного тока) -- его низкая стабильность.
Высоковольтная искра. Отличительная особенность этого источника атомизации -- отсутствие термодинамического равновесия между находящимися в нем частицами (атомами, ионами, свободными электронами). Поэтому говорить в целом о температуре искрового разряда достаточно сложно. Его "эффективная" температура атомизации достигает 10000-12000°С. Высоковольтная искра является одним из самых высокотемпературных источников атомизации. Техническая реализация анализа в дуговом и искровом разрядах весьма схожа. Очень часто в спектральных приборах для генерации дуги и искры используют одно и то же устройство.
Плазменные атомизаторы. Это -- самые современные типы атомизаторов. Наилучшими аналитическими характеристиками обладает высокочастотная индуктивно связанная аргоновая плазма (ИСП). Источник ИСП представляет собой плазменную горелку достаточно сложной конструкции, состоящей из трех концентрических кварцевых трубок. В них с большой скоростью подаются потоки аргона. Самый внутренний служит для впрыскивания раствора пробы, промежуточный является плазмообразующим, а внешний служит для охлаждения плазмы; расход аргона в этом потоке особенно велик (10-20 л/мин). Аргоновая плазма инициируется ("поджигается") искровым разрядом, а затем стабилизируется с помощью высокочастотной индуктивной катушки, окружающей верхнюю часть горелки; при этом возникает сильный кольцевой ток ионов Аг + . Рабочая температура ИСП составляет порядка 10000°С.
4.3 Аппаратура в атомно-эмиссионном анализе
Принципиальная схема атомно-эмиссионного спектрометра приведена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1. Принципиальная схема атомно-эмиссионного спектрометра
В отличие от рассмотренных ранее схем абсорбционных спектрометров, здесь, естественно, отсутствует внешний источник излучения. Другая особенность - возможное использование вместо монохроматора полихроматора -- устройства, обеспечивающего возможность одновременной регистрации множества спектральных линий и -- как следствие -- возможность проведения экспрессного многоэлементного анализа. В качестве монохроматоров и полихроматоров обычно применяются призмы или дифракционные решетки. При использовании их как монохроматоров на выходе имеется щель, выделяющая узкую спектральную область; у полихроматоров такая щель отсутствует. При пламенной атомизации ввиду малого числа наблюдаемых в этих условиях эмиссионных линий возможно и использование монохроматоров низкого разрешения -- светофильтров.
В качестве детекторов в случае, если используются монохроматоры, применяют фотоэлектрические преобразователи тех же типов, что и в других оптических методах анализа (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фотодиоды). При использовании полихроматоров применяют набор таких детекторов, обычно фотодиодов ("диодная линейка"). Однако в этом случае используют и другие способы регистрации. Наиболее распространенный из них -- фотографический (фотохимический), при котором эмиссионный спектр фотографируют на фотопластинку. Интенсивность спектральной линии в этом случае находят, измеряя почернение (оптическую плотность) изображения линии на фотопластинке. Для массовых полуколичественных анализов применяют и приборы с визуальной индикацией (стилоскопы). [1]
Рассмотрим принципиальную схему пламенного фотометра. Эмиссионный пламенный фотометр состоит из трёх основных узлов: распылителя и горелки, светофильтра или монохроматора и измерительного устройства; принципиальная схема прибора показана на рисунке 4.2.
Анализируемый раствор 1 превращают в аэрозоль при помощи распылителя 2 (работающего под действием сжатого воздуха или кислорода) и вводят в пламя 3 горючей смеси воздуха или кислорода с водородом (иногда с каким-нибудь углеводородом: ацетиленом, пропаном, бутаном). Точность и чувствительность пламенно-фотометрических определений в значительной степени зависят от степени распыления раствора и работы горелки. Светофильтр (или монохроматор) 4 выделяет из спектра определённую спектральную линию, используемую для измерения. Фотоэлемент 5 (или фотоумножитель), а также гальванометр 6 служат для измерения интенсивности спектральной линии.
1 - анализируемый раствор; 2 - распылитель;3 - пламя горелки; 4 - светофильтр (или монохроматор); 5 - фотоэлемент; 6 - гальвонометр
Рисунок 4.2. Схема эмиссионного пламенного фотометра.
Большое значение в этом методе имеет температура пламени. При сжигании смесей воздуха с пропаном или бутаном достигается температура 1700...1900 °С и возбуждаются только атомы щелочных металлов. Для определения щёлочноземельных металлов необходимо пламя смеси воздуха с ацетиленом, дающее температуру около 2300 °С. Универсальным считают пламя смеси кислорода с водородом (2500 °С) или с ацетиленом (3150 °С).
В лабораторной практике используют как пламенные фотометры со светофильтрами, так и спектрофотометры для пламенной фотометрии.
Пламенные фотометры со светофильтрами служат главным образом для определения в растворах калия, натрия, кальция и иногда лития, т.е. для анализа объектов простого состава. Работают они обычно на низкотемпературном пламени смесей горючих газов с воздухом; распылители их снабжены специальными камерами для удержания крупных капелек аэрозоля, не испаряющихся в пламени. В нашей стране выпускаются пламенные фотометры марок ФПФ-58, ФПЛ-1, ПФМ, ФЛАФО-4 .
Спектрофотометры для пламенной фотометрии более чувствительны и обеспечивают высокую монохроматизацию излучения. Они снабжены специальными горелками для сжигания смесей горючих газов с кислородом, причём газы смешиваются у выхода из сопла, анализируемый раствор впрыскивается непосредственно в пламя. Примером спектрофотометра для пламенной фотометрии может служить прибор ПАЖ-1. [2]
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Гармаш, А.В. Введение в спектроскопические методы анализа.Оптические методы анализа. - Москва, 1995.
2. Якунина, И.В. Методы и приборы контроля окружающей среды. Экологический мониторинг./ И.В. Якунина, Н.С. Попов - Тамбов: ТГТУ, 2009.
3. Сотникова, Е.В. Аналитические методы экологического мониторинга./Е.В. Сотникова, Н.Ю. Калпина, Е.В. Ряховская, Б.В. Смирин - Москва: МГТУ "Мами", 2011.
4. Саксонов, М.Н. Экологический мониторинг нефтегазовой отрасли. Физико-химические и биологические методы./М.Н. Саксонов, А.Д. Абалаков, Л.В. Данько, О.А. Бархатова, А.Э. Балаян, Д.И. Стом - Иркутск: Иркутский государственный университет, 2005.
5. Фёдорова, Э.И. Инструментальные методы анализа органических соединений[Электронный ресурс] : учебное пособие: самост. учеб. электрон. изд. / Э. И. Фёдорова; Сыкт. лесн. ин-т. - Электрон. дан. - Сыктывкар: СЛИ, 2013. - Режим доступа: http://lib.sfi.komi.com.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Цели и задачи аналитического контроля на предприятии. Деятельность заводской лаборатории по проверке качества. Характеристика характеристика физико-химических методов анализа. Основные параметры в хроматографических и титриметрических методах анализа.
реферат [43,4 K], добавлен 28.12.2009Назначение автоматизированных районных конденсатных станций. Методы очистки конденсата с целью снижения содержания нефтепродуктов. Обескремнивание воды в водоочистках промышленных ТЭЦ высокого давления. Сущность колориметрического метода анализа раствора.
контрольная работа [29,6 K], добавлен 17.01.2010Понятие хроматографии как разделения сложных смесей на составные компоненты между двумя несмешивающимися фазами. Классификация хроматографических методов анализа, исследование с их помощью пищевых продуктов. Проникающая и аффинная хроматография.
курсовая работа [527,9 K], добавлен 03.06.2015Описание метода атомно-силовой микроскопии, его достоинства и недостатки. Схематическое устройство атомно-силового микроскопа. Особенности осуществления процесса сканирования. Применение атомно-силовой микроскопии для определения морфологии тонких пленок.
реферат [883,8 K], добавлен 09.12.2015Метод атомно-абсорбционного спектрального анализа и его достоинства. Контроль технологических процессов. Термическое испарение сухих остатков растворов. Наложение излучения атомизатора на излучение источника света. Коэффициент диффузии атомов в газах.
доклад [69,8 K], добавлен 10.11.2008Понятие термодинамико-топологического анализа, его сущность и особенности, сферы использования и эффективность. Принцип и порядок осуществления термодинамико-топологического анализа, его этапы и характеристика. Изучение эволюции тройной биазеотропии.
реферат [1,3 M], добавлен 15.02.2009Принцип поляриметрического метода. Состав, химические и физические свойства, токсикологическое воздействие сахара. Характеристика методов анализа вещества: рефрактометрический, антроновый, газохроматографический. Оценивание погрешности измерений.
курсовая работа [446,4 K], добавлен 29.02.2016Главный подход к исследованию сложных объектов - системный анализ. Практическая реализация системного анализа - структурный системный анализ, его принципы и методы. Истоки структурного моделирования. Классы моделей структурного системного анализа.
реферат [25,4 K], добавлен 18.02.2009Огнеупорные материалы и их свойства, классификация и условия эффективного использования. Современные физико-химические методы анализа. Химические реактивы, основное и вспомогательное оборудование. Стандартные методы анализа динасовых огнеупоров.
дипломная работа [882,1 K], добавлен 21.01.2016Теоретические основы аналитического контроля качества продукции. Автоматизация аналитического контроля продукции химико-технологических производств. Оптические методы химических исследований. Электрохимические методы анализа. Хроматографический метод.
курс лекций [271,7 K], добавлен 30.08.2010Основные понятия и принципы метода анализа видов и последствий потенциальных дефектов (FMEA). Суть методологии, процедуры и условий эффективного применения метода FMEA, его видов, анализ потенциальных отказов. Виды, цели и этапы проведения FMEA.
курсовая работа [593,1 K], добавлен 28.10.2013Метод дифференциального термического анализа. Общее понятие про метод термографии. Требования, предъявляемые к обычным термопарам. Влияние факторов на температурные характеристики термических кривых. Явления, происходящие в образце во время превращения.
контрольная работа [212,5 K], добавлен 01.09.2012Закономерности существования и развития технических систем. Основные принципы использования аналогии. Теория решения изобретательских задач. Нахождение идеального решения технической задачи, правила идеальности систем. Принципы вепольного анализа.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 01.12.2015Характеристика, свойства и применение современных износостойких наноструктурных покрытий. Методы нанесения покрытий, химические (CVD) и физические (PVD) методы осаждения. Эмпирическое уравнение Холла-Петча. Методы анализа и аттестации покрытий.
реферат [817,5 K], добавлен 26.12.2013Структурная схема системы исследования микрошлифов. Методы анализа микрошлифов. Программное обеспечение для анализа на персональном компьютере полученных изображений микрошлифов: Intron-Set, ВидеоТесТ-Структура, ВидеоТесТ-Металл, ВидеоТесТ-Размер 5.0.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 21.04.2011Особенности проектирования подошв обуви, оценка ее долговечности, стойкости к механическим факторам износа, разновидности дефектов. Суть метода определения деформационных и прочностных характеристик низа обуви на основе конечно-элементного анализа.
автореферат [1,4 M], добавлен 24.08.2010Точность, повторяемость и воспроизводимость экоаналитических исследований. Особенности организации внутрилабораторного контроля качества результатов анализа. Контроль стабильности результатов анализа. Факторы, определяющие правильность и надежность.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 08.02.2016Цели разработки государственных стандартов Российской Федерации. Определения стандартов, условные обозначения, применение. Альтернативы основному методу определения стандартных отклонений повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений.
реферат [47,3 K], добавлен 12.11.2013Масс-спектрометры - перспективные приборы для анализа содержания веществ независимо от их агрегатного состояния, химических и физических свойств. Назначение аналитической и измерительной частей, вспомогательных устройств, аппаратурное оформление.
контрольная работа [1,4 M], добавлен 14.10.2011Анализ конструкции поглощающего аппарата, выявление возможных дефектов. Цели, задачи и виды FMEA анализа. Формирование команды экспертов. Обеспечение выявления потенциальных несоответствий как основная задача системы менеджмента качества на предприятии.
курсовая работа [454,0 K], добавлен 28.04.2013
