Файл: Эмисс..pdf

50

фоточувствительных полупроводниковых p-n переходов (пикселей) размерами порядка ≤10 мкм. Под воздействием электромагнитного излучения происходит изменение электрического заряда на p-n переходе, пропорциональное интенсивности светового потока и времени экспозиции.

Считывание информации с матрицы осуществляется компьютером. (Аналогичные преобразователи в настоящее время используются для получения изображения в цифровых фотоаппаратах и фотокамерах). К настоящему времени успешно решена проблема низкой чувствительности этих устройств в УФ области спектра. Производимые рядом фирм ПСЗ с обратной засветкой и ПСЗ с виртуальной фазой имеют превосходные характеристики в области 180 – 1000 нм, что позволяет создавать спектрометры, состоящие из полихроматора и линейки ПСЗ для регистрации спектров не только во всем оптическом диапазоне, но и в вакуумной УФ области.

Подробную информацию о принципе действия и устройстве ПСЗ можно найти здесь.

5. Эмиссионная фотометрия пламени (пламенная фотометрия)

Эмиссионная фотометрия пламени (ЭФП) – метод количественного элементного анализа, основанный на измерении интенсивности электромагнитного излучения, испускаемого атомным паром определяемого элемента в пламени.

Это один из старейших методов количественного элементного анализа по атомным спектрам испускания. Пробы на окрашивание пламени, введенные в аналитическую практику еще Бунзеном и Кирхгофом, впервые были использованы в спектрографии в 1879 г. Гюи, который, распыляя растворы, содержащие ионы металлов, сжатым воздухом, вводил аэрозоль в пламя светильного газа и фотографировал спектры.

Прежде всего ЭФП является незаменимым методом определения щелочных металлов – лития, натрия, калия, рубидия, которые, благодаря низким значениям энергии возбуждения, имеют в спектрах резонансные линии в видимой области спектра. Эти линии проявляют высокую интенсивность даже в таких низкотемпературных атомизаторах, как пламя метан-воздух и пропан-бутан – воздух. С хорошими метрологическими характеристиками в пламени ацетилен-воздух можно определять и щелочноземельные металлы – магний, кальций, стронций и барий. Применение ЭФП для определения дру-

51

гих элементов в настоящее время признается нецелесообразным из-за высоких пределов обнаружения и наличия спектральных и химических помех.

В методе эмиссионной фотометрии пламени должна наблюдаться линейная зависимость между концентрацией определяемого элемента и интенсивностью светового потока (см. разд. 3.1.). Однако на практике часто линейность наблюдается только в определенном диапазоне концентраций (рис. 21).

концентрации определяемого элемента в методе эмиссионной фотометрии пламени

При низких концентрациях величина аналитического сигнала может оказаться ниже теоретического значения из-за процесса ионизации, особенно для элементов с низкими значениями энергии ионизации при использовании высокотемпературных пламен.

В области высоких концентраций отрицательные отклонения от линейности связаны с процессом самопоглощения: излучение, испускаемое атомами определяемого элемента в наиболее горячей, центральной, зоне пламени, поглощается атомами этого же элемента, которые находятся в перифериче-

52

ской, «холодной», зоне пламени. Кроме того, возможны и другие типы помех и мешающих влияний, которые будут рассмотрены ниже.

5.1. Особенности возбуждения спектров в пламени. Помехи

Введение аэрозоля анализируемого раствора в пламя сопровождается сложными физико-химическими процессами (рис. 21).

При попадании частицы аэрозоля в пламя сначала происходит испарение воды с образованием твердой частицы, содержащей все вещества, которые находились в исходном растворе. В высокотемпературной зоне пламени эти частицы испаряются, образуя молекулы солей. Поскольку время пребывания частиц в пламени невелико (порядка нескольких миллисекунд), эти два процесса должны протекать быстро. Этого можно добиться только путем уменьшения размеров аэрозольных частиц, для чего необходимо выбрать оптимальные условия работы пневматического распылителя (диаметр капилляра, давление газа-окислителя).

Под воздействием высокой температуры пары солей распадаются с образованием атомного пара. Важно отметить, что в отличие от растворов диссоциация солей сопровождается образованием нейтральных частиц, а не атомов:

Возникновение аналитического сигнала происходит за счет термического возбуждения атомов и последующего испускания кванта электромагнитного излучения (процесс 4 на рис. 21).

5.1.1. Помехи в методе эмиссионной фотометрии пламени

Как и в других физических методах анализа, в ЭФП наблюдается воздействие различных факторов на величину аналитического сигнала, способное повлиять на правильность полученных результатов.

Помехи, приводящие к искажению аналитического сигнала, можно разделить на 3 типа: инструментальные (аппаратные), физико-химические и спектральные.

53

Инструментальные помехи

Инструментальные помехи связаны с неправильной работой отдельных узлов используемого прибора. Например, нестабильная работа компрессора, подающего сжатый воздух в горелку пламенного фотометра, вызывает изменение скорости распыления раствора, а также влияет на температуру пламени. Нелинейная зависимость выходного тока прибора от интенсивности светового потока может быть связана с неисправностью приемника излучения и электронного усилителя.

Физико-химические помехи

Физико-химические помехи обусловлены влиянием химического состава исследуемого раствора на диспергирование и процессы, протекающие в пламени.

Ниже приведены уравнения для расчета скорости распыления и среднего диаметра образующихся аэрозольных частиц при работе пневматического распылителя.

Согласно закону Пуазейля скорость засасывания раствора пробы F (см3/c) равна:

Здесь – перепад давления по длине капилляра, Па; – радиус капилляра, м; – вязкость распыляемого раствора, Па·с; L – длина капилляра, м.

Важной характеристикой качества образующегося аэрозоля является средний диаметр капель. Его можно оценить с помощью эмпирического соотношения:

где и – скорость потока распыляющего газа, м/с; σ – поверхностное натяжение, Н/м; η – коэффициент вязкости раствора, Па·с; ρ – плотность раствора, г/см3; F и V – расходы объемов раствора и газа в единицу времени, см3/с.

Из этих соотношений следует, что повышение вязкости раствора понижает скорость распыления, а диаметр аэрозольных частиц зависит от вязкости, поверхностного натяжения и плотности раствора.

54

Если анализируемый раствор содержит соединения, заметно изменяющие одно из этих свойств (высокие концентрации кислот и солей, поверхно- стно-активные вещества, органические растворители), неизбежно возникнут различия в показаниях прибора при фотометрировании исследуемого и эталонного водного раствора с точно такой же концентрацией определяемого элемента. Например, в растворах, содержащих сахарозу и глицерин, аналитический сигнал понижается из-за повышения вязкости.

Свести к минимуму погрешности, возникающие на стадии диспергирования, можно следующими способами.

Во-первых, путем фотометрирования по возможности разбавленных водных растворов, в которых содержание матричных компонентов не превышает 1 г/л. Однако этот прием нельзя применять в тех случаях, когда содержание определяемого металла в объекте невелико.

Во-вторых, использованием эталонных растворов, содержащих такие же концентрации матричных компонентов, что и исследуемые. Однако этот способ неприменим, если макрокомпонентный состав объекта неизвестен.

Наиболее надежным способом является третий - применение метода добавок, поскольку в этом случае все исследуемые растворы идентичны по химическому составу и различаются только содержанием определяемого элемента.

5.1.2. Влияние химического состава раствора на процессы испарения, термической диссоциации и атомизации

Процесс атомизации в пламени имеет сложную природу и подвержен влиянию различных физико-химических процессов (рис. 22). Поскольку время пребывания частицы в высокотемпературной зоне пламени невелико – около 10-3, необходимо, чтобы процесс превращения аэрозоля в атомный пар протекал с высокой скоростью.

При попадании в пламя частицы аэрозоля быстро теряют растворитель, превращаясь в твердые частицы, которые содержат все растворенные в анализируемом растворе вещества.

Скорость и полнота протекания следующей стадии (испарение твердых частиц) зависят от химического состава пробы и подвержены различным влияниям. Некоторые компоненты пробы могут препятствовать испарению определяемого элемента преимущественно по двум механизмам:

55

блокировка — физическое по своей природе влияние, связанное с понижением скорости испарения определяемого элемента в присутствии большого избытка матрицы;

образование труднолетучего соединения определяемого и мешающего компонента.

Кроме того, необходимо учесть и помехи, возникающие непосредственно в газовой фазе:

образование термически устойчивых оксидов и карбидов; ионизация атомов определяемого элемента.

Блокировка проявляется при распылении растворов с высоким содержанием растворенных солей и связана с замедлением испарения определяемого элемента из частиц сухого аэрозоля в присутствии компонентов матрицы. Как правило, скорость испарения и, следовательно, чувствительность определения понижаются по сравнению со стандартными растворами. Например, при определении легко атомизирующихся элементов в растворах, содержа-

56

щих высокие концентрации (более 0,1 M) алюминия, образуется нелетучий Al2O3, и чувствительность понижается из-за затрудненного испарения определяемых элементов из частиц сухого аэрозоля.

Блокировку можно в значительной степени подавить введением в анализируемый раствор кислот - соляной, хлорной, уксусной, азотной, а также раствора аммиака, так как их соли сравнительно легколетучи. Наоборот, в присутствии нелетучих серной и ортофосфорной кислот, а также едких щелочей допустимая концентрация матрицы значительно ниже.

Эффект блокировки можно скомпенсировать уравниванием концентрации макрокомпонентов в пробах и стандартных растворах, а также применением метода добавок.

Химические влияния проявляются в тех случаях, когда в исходном растворе содержались анионы, образующие нелетучие соли с определяемым элементом. Очень сильное влияние на атомизацию щелочноземельных элементов оказывают фосфат-, силикат-ионы, а также бор, алюминий, титан, цирконий, молибден, вольфрам. Это объясняется образованием в пламени термически устойчивых солей и смешанных оксидов – M3(PO4)2, MSiO3, MTiO3, MZrO3, MO·VO3, где М = Ca2+, Mg2+, Sr2+, Ba2+.

Такое мешающее влияние в меньшей степени проявляется при использовании высокотемпературных пламен. Для устранения помех, связанных с образованием труднолетучих солей, широко используются освобождающие спектральные буферы.

Образование оксидов – неизбежный процесс в пламени при атомизации элементов, проявляющих высокое сродство к кислороду. Например, кальций в пламенах метан – воздух или пропан-бутан – воздух преимущественно находится в виде оксида, поэтому определение этого элемента проводят не по атомной, а по молекулярной эмиссионной линии.

Как следует из уравнения Саха, степень ионизации элемента в газообразном состоянии зависит от энергии ионизации, температуры и концентрации электронов. В пламени заметно ионизируются только тяжелые щелочные и щелочноземельные металлы. Для понижения степени ионизации определяемого элемента можно использовать низкотемпературные пламена или вводить в раствор ионизационные буферы, которые повышают концентрацию электронов в пламени.

57

Спектрохимические буферы

Спектрохимические буферы используют в методе эмиссионной фотометрии пламени и атомно-абсорбционной спектроскопии для подавления нежелательных процессов, протекающих в пламени или других устройствах получения атомного пара.

Существуют следующие типы буферов:

освобождающие буферы – содержат соли, которые связывают мешающие элементы в термодинамически более устойчивые соединения (например, соли лантана связывают фосфаты, алюминаты, силикаты и препятствуют образованию в пламени соответствующих солей щелочноземельных элементов);

ионизационные буферы – соли рубидия, цезия и калия, повышают концентрацию электронов в пламени, тем самым подавляют ионизацию других элементов;

испаряющие буферы – повышают летучесть матрицы или определяемого элемента, предотвращая блокировку. Например, введение HBF4 повышает летучесть кремния, способствует быстрому испарению силикатов; защитные буферы – соединения, предотвращающие образование

труднолетучих соединений путем химического связывания атомов определяемого элемента. Например, ЭДТА, образуя в растворе комплекс с кальцием, который легко атомизируется, предотвращает образование труднолетучего фосфата.

5.1.3.Пламенные фотометры

Вметоде ЭФП используются простейшие спектральные приборы – пламенные фотометры, которые в десятки раз дешевле приборов, используемых

вдругих химико-спектральных методах.

Упрощенная схема такого прибора приведена на рисунке 23. Наибольшее распространение получили пламенные фотометры, в кото-

рых используются горелки предварительного смешения с пневматическим распылителем. Вогнутое зеркало служит для увеличения светового потока, направляемого к приемнику излучения.

Диафрагма, расположенная после горелки, позволяет выделять излучение от определенных участков пламени. Выделение аналитической спек-