20.3. Атомно-абсорбционная спектроскопия

Атомно-абсорбционная спектроскопия(ААС) -спектроскопи­ческий метод анализа, основанный на измерении поглощения элек­тромагнитного излучения оптического диапазона невозбуждёнными свободными атомами.

20.3.1. Процессы, приводящие к появлению аналитического сигнала

При поглощении атомом кванта электромагнитного излучения один из его электронов переходит на более высокий энергетический уровень - атом переходит из основного в возбуждённое состояние. Атом способен поглощать только такое электромагнитное излучение, энергия которого точно равна разности между энергией возбуждённо­го и основного состояния (рис. 20.5). Например, атом Na может по­глощать электромагнитное излучение с длинами волн 589,0 нм (3s ^ 3p), 330,23 нм (3s ^ 4p), 285,28 нм (3s ^ 5p) и некоторыми другими.

3 E*

AE = hv

\

\

\

\

AE = E* - E

o

Eo

А

Рис. 20.5. Схема процесса, лежащего в основе ААС

Поскольку энергии переходов между различными энергетиче­скими уровнями для атомов разных элементов отличаются, то атом каждого элемента будет иметь свой собственный атомный спектр по­глощения. Поглощение электромагнитного излучения атомами проис­ходит при строго определённых длинах волн, поэтому атомные спек­тры поглощения являются линейчатыми (рис. 20.6).

Рис. 20.7. Принципиальная схема прибора для ААС

ввод пробы

поглощение

J I

X

Рис. 20.6. Условный атомный спектр поглощения

20.3.2. Измерение аналитического сигнала

Принцип измерения аналитического сигнала в ААС такой же, как и в других абсорбционных спектроскопических методах анализа. В ААС измеряют относительную интенсивность двух потоков излу­чения, один из которых проходит через атомный пар, а другой являет­ся потоком сравнения. Принципиальная схема атомно- абсорбционного спектрометра приведена на рис. 20.7.

Атомы поглощают излучение в очень узком диапазоне, который с помощью монохроматора выделить из спектра испускания непрерывного источника невозможно. Если же пропускать через атомный пар немонохроматическое излучение, то факт поглощения невозможно практически зарегистрировать

Лампа с полым катодом пред­ставляет собой стеклянный или квар­цевый баллон, заполненный находя­щимся под низким давлением инерт­ным газом (рис. 20.8). Внутри балло­на находятся катод и анод, к которым Рис. 20.8. Лампа с полым катодом приложено высокое напряжение. Ка­тод изготовлен из такого металла, для определения которого используется данная лампа (легкоплавкий металл наносится в виде тонкого слоя на поверхность другого метал­ла), и имеет цилиндрическую форму. Под действием высоковольтного разряда атомы инертного газа ионизируются с образованием положи­тельно заряженных ионов, бомбардируют катод и «выбивают» из него атомы металла. Последние возбуждаются и испускают излучение ха­рактерное для свободных атомов данного металла. Из полученного линейчатого спектра выбирают с помощью обычного монохроматора одну определённую линию и затем используют её для определения соответствующего элемента. Для определения каждого элемента нужна своя лампа.

Атомизатор необходим для того, чтобы получить свободные атомы. Молекулы имеют другое строение электронных орбиталей и совершенно другой вид спектров поглощения. Атомизация должна проводиться в таких условиях, чтобы атомы оставались невозбу­ждёнными. Перед атомизацией анализируемый образец переводят в раствор. В ААС используется две группы атомизаторов: пламенные и электротермические.

J

Пламенный атомизатор представляет собой горелку, в которой пламя имеет форму узкой вытянутой щели. Такая форма пламени позволяет получить большую длину поглощающего слоя, что приво­

дит к повышению чувствительности определения. Для создания пла­мени используются горючие газовые смеси различного состава, на­пример, ацетилен-воздух, ацетилен - кислород, пропан - воздух и др.

Электротермический атомизатор представляет собой трубку длиной несколько сантиметров и внутренним диаметром до 1 см, из­готовленную обычно из плотных сортов графита. Трубка нагревается до высокой температуры электрическим током большой силы. Для предотвращения сгорания графита трубка заполнена инертным газом. Электротермическая атомизация обладает рядом преимуществ перед пламенной, например, более эффективной атомизацией и более высо­кой чувствительностью определения, меньшим объёмом анализируе­мой пробы, возможностью вести измерения в вакуумной УФ-области и т. д.

В качестве детектора в ААС обычно используют фотоумножи­тели. Это связано с тем, что интенсивность излучения источника не­высокая. Детектор связан через усилитель с соответствующим регист­рирующим устройством.

20.3.3. Практическое применение

ААС используется для количественного определения более 70 элементов, главным образом, металлов.

Зависимость между степенью поглощения электромагнитного излучения и концентрацией поглощающего вещества в ААС такая же, как и в других абсорбционных методах анализа. Оптическая плот­ность прямо пропорциональна концентрации атомов соответствующе­го элемента в атомизаторе и, следовательно, в анализируемой пробе

A = k^C

Коэффициент k является эмпирической величиной. Определе­ние концентрации в ААС проводят методом градуировочного графика или методом добавок.

В Республике Беларусь ААС используется для определения не­органических токсикантов («металлических ядов») в различных био­логических объектах при судебно-химическом и химико- токсикологическом исследовании. Пределы обнаружения большинст­ва элементов составляют при использовании пламени 1-100 мкг/л, при электротермической атомизации на несколько порядков меньше. Ос­новные ограничения данного метода анализа связаны с необходимо­стью наличия большого набора соответствующих ламп, а также необ­ходимостью переведения анализируемого объекта в раствор.