Оптические методы исследования

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ основаны на законах излучения, распространения и взаимодействия света с веществом. В основе наиболее обширного раздела оптических методов исследования лежат законы взаимодействия света с веществом. Эти методы позволяют проводить анализ веществ, получать информацию о строении, структуре, состоянии и превращениях различных компонентов в хим. и биол. системах.

Но прежде, чем перейти к рассмотрению этого вопроса, необходимо вспомнить шкалу электромагнитных волн. (Таблица).

Таблица 2.

Международная классификация электромагнитных волн по частотам и длинам волн

Границы диапазонов по длинам волн приняты условно, перекрываются и в природе не имеют четких границ.

К одним из наиболее широко распространенных оптических методов исследования принадлежит спектроскопия. Различают электронную спектроскопию (в ультрафиолетовой и видимой областях спектра), колебательную и вращательную (инфракрасную, комбинационного рассеяния), а также микроволновую и радиоспектроскопию. Областью применения этих методов является определение атомного и молекулярного состава вещества, его структуры, состояния, концентрации и др.

По способу получения спектров спектроскопические методы могут быть подразделены на эмиссионную, абсорбционную и флуоресцентную спектроскопию (один из видов классификации).

1.Эмиссионный спектральный анализ основан на изучении спектров испускания (излучения), или эмиссионных спектров различных веществ.

2.Методы анализа, основанные на исследовании поглощения электромагнитного излучения анализируемыми веществами, относят к большой группе абсорбционных оптических методов.

3. Флуоресцентный анализ также основын на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными атомами или молекулами анализируемого вещества.

Если все указанные методы относятся к излучению или поглощению отдельными атомами, то говорят о методах атомного спектрального анализа, если к молекулам – о молекулярном анализе

2.1.Методы атомного спектрального анализа.

Известны три основных спектральных метода определения элементного состава вещества. Наиболее старый атомно-эмиссионный спектральный анализ был открыт Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном в 1859 году; его обычно называют просто спектральным анализом. В 1955 году Дж.Н. Уолш предложил использовать для химического анализа не линии эмиссии, а линии поглощения атомов. Эта работа считается началом широко применяемого сейчас атомно-абсорбционного анализа. Спустя 10 лет Дж.Д. Вайнфорднер с соавторами описали аналитический метод, основанный на наблюдении спектров флуоресценции атомов определяемых элементов, – это метод атомно-флуоресцентного анализа.

Атом – электронейтральная система. Если атом поглощает энергию в ультрафиолетовой или видимой области, один или несколько электронов внешней валентной оболочки переходят в более высокоэнергетическое состояние, то есть возбуждаются. Это состояние неустойчиво, и, следовательно, такие электроны почти немедленно возвращаются в основное состояние либо путем излучения света с энергией, характеристичной для данного атома, либо путем передачи энергии в результате столкновений с молекулами, атомами или ионами, присутствующими в ячейке атомизации.

В атомной эмиссии,где часть нейтральных атомов определяемого элемента в газовой фазе возбуждается при столкновениях с молекулами, ионами, атомами или электронами в ячейке атомизации, измеряется энергия, испускаемая этими возбужденными атомами при их переходе в основное состояние путем излучения.

В атомной абсорбции, где нейтральные атомы определяемого элемента в газовой фазе в ячейке атомизации возбуждаются внешним источником света, измеряется доля излучения светового источника, поглощаемая атомами в процессе возбуждения.

В атомной флуоресценции,где нейтральные атомы анализируемого элемента в газовой фазе возбуждаются в ячейке атомизации внешним источником света, как и в атомной абсорбции, измеряется доля энергии, испускаемая возбужденными атомами, претерпевающими переход в основное состояние путем излучения, как в атомной эмиссии.

В атомной эмиссии ячейка атомизации служит для превращения различных составляющих образца в нейтральные атомы в газовой фазе и для перевода этих атомов в возбужденное состояние путем столкновений. В атомной абсорбции и атомной флуоресценции ячейка атомизации служит только для превращения различных компонентов образца в нейтральные атомы газовой фазы.

Каждому возбужденному состоянию атома соответствует своя индивидуальная энергия возбуждения, то есть энергия или соответственно длина волны фотона, которая производит возбуждение до этого энергетического уровня. Если существует несоответствие между величиной энергии, необходимой для возбуждения используются пламя, нагреваемая печь или плазма. В высокотемпературной среде ячейки атомизации растворитель аэрозоля испаряется практически мгновенно, оставляя сухие частицы анализируемого образца. Эти частицы быстро превращаются в газообразные молекулы, свободные нейтральные атомы или ионы. Относительное содержание каждого типа частиц сильно зависит от температуры и среды в ячейке атомизации.

В методах атомной абсорбции, атомной эмиссии и атомной флуоресценции ячейку атомизации и ее рабочие характеристики выбирают так, чтобы получить максимально возможную долю нейтральных атомов. Во всех трех методах энергия передается этим атомам, но механизм, по которому происходит возбуждение атомов, и способы измерения соответствующих сигналов различны.

В последнее время широкое распространение получил атомно-эмиссионный анализ с возбуждением спектров в высокостабильной индуктивно-связанной плазме (ИСП-АЭС). Современные анализаторы на основе этого метода обычно включают полихроматор с решеткой эшелле и приемники с зарядовой связью. Такая оптическая схема позволяет одновременно регистрировать все спектральные линии в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. Программное обеспечение современных ИСП-АЭС-анализаторов способно автоматически рассчитывать концентрацию определяемых элементов по интенсивности их спектральных линий с коррекцией фона и возможных спектральных наложений. Соответственно такие анализаторы отличаются высокой точностью и продуктивностью.

Методы атомной спектроскопии постоянно совершенствуются, в первую очередь это относится к источникам возбуждения спектров.