Спектральные методы оптической структуроскопии

Спектральный анализ - это анализ качественного и количественного состава веществ по атомным, молеку­лярным или ионным спектрам испускания или поглоще­ния. Если исследованию подвергается спектр испускания (излучения), анализ называют эмиссионным, если же исследуется спектр поглощения, - абсорбционным. Су­ществуют другие, более сложные спектры, которые ис­пользуются в научных исследованиях, например, спек­тры комбинационного рассеяния.

Атомно-эмиссионный спектральный анализ - это анализ элементного состава веществ по спектрам излучения (испускания). Для того чтобы получить атомный спектр, необходимо вещество нагреть до парообразного состоя­ния. При этом происходит возбуждение атомов - переход электронов с одних уровней на другие, испускаются кванты электромагнитного излучения. Если свет, излу­чаемый возбужденными атомами вещества, направить в спектральный аппарат, он разложится в спектр - набор излучений определенной длины волны и частоты.

Достоинством спектрального анализа является его универсальность. Метод позволяет анализировать веще­ство в любом агрегатном состоянии без особой подго­товки проб по общей схеме. Метод селективный. Одно­временно из одной навески можно определить более 30 элементов, не применяя их разделения. Эмиссионный спектральный анализ достаточно чувствительный. Он имеет нижний предел обнаружения %, а в некоторых случаях и %.

Достоинствами спектрального анализа (СА) явля­ются его экспрессность и возможность автоматиза­ции. Наибольшей скорости и эффективности достигают при фотоэлектрической регистрации спектров, когда массовому анализу подвергают однотипные сплавы или другие образцы материалов. В среднем на проведение анализа затрачивается 2-6 мин, причем одновременно анализируется в зависимости от требований заказчика и модификации прибора не менее 5-10 элементов.

Спектральный анализ применяют для определения содержания примесей в чистых и высокочистых вещест­вах, в черной металлургии анализируют состав руд и шлаков, сталей и чугунов на выпуске и по ходу плавки. Методы спектрального анализа используют для анализа объектов окружающей среды, в геологии, горнодобы­вающей, нефтеперерабатывающей промышленностях, биологии, медицине, астрономии и т.д.

Для получения спектра необходимо перевести ис­следуемое вещество в парообразное состояние и возбу­дить атомы. Для этих целей используют различные виды источников. Среди источников возбуждения спектров наиболее распространенными являются пламя, электри­ческая дуга переменного или постоянного тока, низко- и высоковольтная конденсированная искра и др.

Методы атомно-эмиссионного спектрального ана­лиза. Различают качественный и количественный методы анализа. Задача качественного анализа - идентификация элементов пробы. Качественный анализ может быть полным (идентификация образца неизвестного происхо­ждения) или частичным (на определенные элементы) в зависимости от поставленных задач.

Качественный анализ может производиться двумя способами.

• Определив длину волны интересующей спек­тральной линии, по атласу спектральных линий устанав­ливают, какому элементу она принадлежит. Для рас­шифровки необходим спектр сравнения.

• Определив по атласу или справочнику длину волны интересующего элемента (наиболее интенсивную его линию), ищут эту линию на спектрограмме и в слу­чае ее обнаружения считают, что элемент присутствует в пробе.

Количественные методы определения массовой доли элементов в исследуемой пробе основаны на зави­симости интенсивности спектральных линий от концен­трации атомов этих элементов в пробе.

Для регистрации спектров применяют три способа: визуальный, фотографический и фотоэлектрический. Соответственно и приборы разделяются в зависимости от способа регистрации спектра на приборы с визуаль­ной регистрацией - стилоскопы, с фотографической ре­гистрацией - спектрографы и с фотоэлектрической реги­страцией - квантометры, фотоэлектрические стилометры, спектрометры.

Приборы с фотографической регистрацией спек­тров. С помощью спектрографов можно проводить каче­ственный, количественный и полуколичественный ана­лизы веществ в любом агрегатном состоянии. Спектро­графы отличаются типом диспергирующих устройств, источником возбуждения спектров, разрешающей спо­собностью, светосилой и другими характеристиками. Наиболее распространенными являются спектрографы с кварцевой или стеклянной оптикой (ИСП-30, ИСП-51) с дифракционными решетками (ДФС-8, ДФС-452, 457, СТЭ-1-1М) и др. Это высокоинформационные приборы, степень информативности которых зависит от фикси­руемой области спектра, дисперсии, светосилы. Дифрак­ционные спектрографы имеют большую протяженность спектра и позволяют анализировать одновременно до 70 элементов.

Приборы с фотоэлектрической регистрацией спектра. Эти приборы основаны на измерении аналити­ческого сигнала при помощи фотоэлементов (ФЭ) или фотоумножителей (ФЭУ). Аналитическим сигналом яв­ляется интенсивность излучения. Для регистрации сиг­налов излучение каждой линии выводят на фотоэлектри­ческий приемник последовательно или используют такой фотоэлектроприемник, на котором аналитический сигнал каждой линии регистрируют одновременно, но отдельно друг от друга. Последовательная регистрация излучения отдельных участков спектра называется ска­нированием, а прибор, позволяющий это осуществить, - монохроматором. Одновременную регистрацию всех изучаемых излучений производят полихроматором. Для вывода излучения из общего пучка используют щели. В монохроматоре щель одна, в полихроматоре несколько - по числу определяемых элементов. Фотоэлектрический приемник излучения устанавливают за щелью. Сканиро­вание осуществляют либо перемещением щели, либо вращением диспергирующего устройства.

Атомно-абсорбционный анализ. Атомно-абсорбционный метод основан на изучении химического соста­ва вещества по атомным спектрам поглощения. В осно­ве лежит закон Кирхгофа, согласно которому элемент поглощает излучение той же длины волны, что и испус­кает в возбужденном состоянии. Принцип анализа - в переводе определяемого элемента в атомный пар, через который пропускают резонансное излучение определяе­мого элемента.

Излучение резонансной длины волны после погло­щения выделяется монохроматором и направляется на фотодетектор, выходной сигнал которого после усиления регистрируется.

Атомно-абсорбционная спектрофотометрия отлича­ется высокой селективностью и чувствительностью. Предел обнаружения составляет г ( %). Относительно простая методика определений позволяет его использовать для анализов различных ма­териалов: горных пород, нефтепродуктов, особо чистых веществ.

Спектры поглощения расположены в видимой и ультрафиолетовой областях, бедны линиями, поэтому практически не имеется их наложения, что облегчает идентификацию. Практически отсутствуют спектраль­ные помехи, а способы измерения не требуют такой вы­сокой точности, как в эмиссионном спектральном анали­зе, поскольку измерению подвергается не абсолютная величина сигнала, а отношение величины непоглощен­ного сигнала к поглощенному. Большим преимуществом является возможность применения для градуировки не только стандартных образцов, но и чистых солей и син­тетических примесей.