Атомизаторы. Важнейшей характеристикой любого атомизатора является его тем­пература

Важнейшей характеристикой любого атомизатора является его тем­пература. От температуры атомизации в решающей мере зависит физико-химическое состояние вещества в конечном счете величина аналитического сигнала и метрологические характеристики методики. Атомизаторы, используемые в АЭС, значитель­но различаются по своей темпе­ратуре.

· Пламя

Вариант АЭС с атомизацией в пламени называют методом эмиссионной фотометрии пламени.

Схема пламенного атомизатора атомно-эмиссионной спектроскопии:

1- пламя;

2- распыленная проба;

3- проба

Конструктивно пламенный атомизатор для АЭС представля­ет собой горелку. Анализируемую пробу (раствор) подают пламя, распыляя с помощью форсунки.

Распределение температуры по зонам пламени смеси светильного газа с воздухом:

1- восстановительная проба

2- внутренний конус

3- окислительная зона

4- внешний конус

Пламя состоит из двух основных зон (восстановительной 1 и окислительной 3 ). В восстановительной зоне протекают первичные реакции термической диссоциации и сгорания (неполного) компонен­тов горючей смеси. Эта зона, а также внутренний конус 2, отделяющий восстановительную зону от окислительной, содержат много возбужденных молекул и свободных радикалов (С₂, СN, СО и др.), интенсивно излу­чающих свет практически во всем УФ-видимом диапазоне (в частности, ха­рактерная голубая окраска внутрен­него конуса пламени обусловлена из­лучением возбужденных радикалов СN). Это излучение накладывается на линии испускания возбужденных ато­мов. В окислительной зоне пламени происходят реакции полного сгорания компонентов смеси с образованием Н₂О и СО₂. Эта зона интенсивно излучает в ИК-области и мало — в УФ- и видимой областях, поэтому именно ее используют для аналитических целей.

Пламя —самый низкотемпературный источник атомизации и возбуждения, используемый в АЭС. В зависимости от состава горючей смеси температура пламени может составлять от 1500 (светильный газ -воздух) до 3000 ⁰С (С₂Н₂, —N₂0). Важное достоинство пламени как источника атомизации — высокая стабильность и связанная с ней хорошая воспроизводимость результатов измерений (s_r, - 0,01 - 0,05).

Пламенная фотометрия - наиболее часто используемая разновидность эмиссионного спектрального анализа.

В качестве источника возбуждения здесь служит пламя, получаемое при сгорании водорода или углеводородов в кислороде или воздухе. Анализируемую пробу в виде раствора распыляют в пламя и замеряют интенсивность световой волны, характерной для определяемого элемента, выделяя ее с помощью светофильтра. Прибор, позволяющий провести такие измерения, называется фотометром.

Пламенная фотометрия – это наиболее простой из всех эмиссионных спектральных методов. Фотометры доступны по цене и просты в эксплуатации. Пламенная фотометрия позволяет определять около 40 элементов, но чаще всего используется для анализа щелочных и щелочно-земельных металлов. Количество определяемых элементов увеличивается с повышением температуры пламени.

· Электрическая дуга.

В АЭС используют дуговые разряды постоян­ного и переменного тока. Дуговой атомизатор представляет собой пару электродов (чаше всего угольных), между которыми пропускают элек­трический разряд.

Схема дугового (искрового) атомизатора для атомно-эмиссионной спектроскопии: 1- нижний электрод; 2-углубление для пробы; 3- зона электрического разряда; 4-верхний электрод

Нижний электрод имеет углубление, в ко­торое помещают пробу. Таким образом, дуговой разряд наиболее удобен для анализа твердых проб. Для анализа растворов пробу, как правило, предварительно выпаривают вместе с инертным порошкообразным мате­риалом (коллектором), а затем помещают в углубление электрода. Если анализируемая проба — металл (сплав), то она непосредственно служит нижним электродом.

Температура дугового разряда существенно выше, чем температура пламени (3000—7000 °С). Таких температур вполне достаточно для эф­фективной атомизации и возбуждения большинства элементов. По­этому для большинства элементов пределы обнаружения в дуговом разряде на один-два порядка ниже, чем в пламени, и в среднем составляют 10^-4 — 10^-2 % масс. Для дуги переменного тока температура несколько выше, чем для дуги постоянного тока. Воспроизводимость результатов невелика: s_r, -0,1 -0,2. Однако для полуколичественных определений такая воспроизводимость вполне достаточна. Одна из наиболее важных областей применения дуговых атомизаторов — это качественный анализ на основе обзорного спектра. Для этой цели дуговые атомизаторы обладают наилучшими характеристиками.

· Электрическая искра.

Искровой атомизатор устроен точно так же, как и дуговой. Как правило, в спектральных приборах для генерации ду­гового и искрового разрядов используют одно и то же устройство, а вы­бор типа разряда осуществляется простым переключением электрической схемы. Как и дуговой, искровой атомиза­тор предназначен в первую очередь для анализа твердых образцов (иногда вводят жидкие пробы в виде аэрозоля непосред­ственно в разрядный промежуток между электродами).

Особенность искрового атомизатора — отсутствие термодинамического равнове­сия между находящимися в нем частица­ми. Поэтому говорить в целом о темпера­туре искрового разряда достаточно слож­но. Его эффективная температура атомизации достигает около 10000 ⁰С. Этого достаточно для возбуждения даже наиболее трудновозбудимых элементов (галогены). Искровой разряд существенно ста­бильнее дугового, и воспроизводимость результатов выше (s_r ~ 0,05-0,1).

· Индуктивно связанная плазма.

Это самый современный источник атомизации, обладающий по целому ряду показателей наилучшими аналитическими возможностями и метрологическими характеристиками. Атомизатор с ИСП представляет собой плазменную горелку особой конструкции, состоящую из трех концентрических кварцевых трубок.

Схема атомизатора с ИСП:

а-горелка, охлаждаемая потоком газа;

б-водоохлаждаемая горелка

Стрелка-направление наблюдения

В них с большой скоростью подают потоки особо чистого аргона. Самый внутренний поток служит для впрыскивания раствора пробы, средний 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. Температура аргоновой плазмы изменяется по высоте горелки и составляет 6000—10000 ⁰С. Метод ИСП—АЭС характеризуется универсальностью (при столь высоких температурах возбуждается большинство элементов), высокой чувствительностью (с_min = 10^-8 —10^-2 % масс. для различных элементов), хорошей воспроизводимостью

(s_r, - 0,01-0,05) и широким диапазоном определяемых концентраций. Основной фактор, сдерживающий приме­нение ИСП в аналитической практике— высокая стоимость оборудова­ния и расходуемых материалов (аргона высокой чистоты)