Общие представления о спектрометрических методах

Элементный анализ – определение элементного состава пробы анализируемого вещества.

Элементный анализ проб вещества экологических объектов может быть выполнен рядом методов, реализованных на различных физических принципах: на использовании эффектов взаимодействия различных электромагнитных излучений с веществом, на действии высокой температуры, облучении вещества частицами высоких энергий, на эффектах воздействия магнитных и электрических полей на движущуюся заряженную частицу.

В физических методах элементного анализа используется зависимость физического свойства определяемого элемента от его химической природы и от его содержания в пробе анализируемого вещества. Все методы элементного анализа – спектрометрические.

Спектрометрические методы по природе воздействующего фактора подразделяют на следующее методы:

• Электромагнитная спектрометрия, основана на измерении эффектов взаимодействия вещества с электромагнитным излучением от микроволнового до γ- диапазона длин волн.Измеряют спектры излучения, поглощения, рассеяния, отражения электромагнитных волн.
• Электронная спектрометрия, основана на измерении эффектов взаимодействия вещества с пучком электронов, например, электронный пучок возбуждает Ожэ-эффект (Оже-спектрометрия). Измеряют Оже-спектр.
• Акустическая спектрометрия, основана на измерении эффектов взаимодействия вещества с механическими колебаниями – звуковыми волнами (фононами). Измеряют акустический спектр.
• Масс-спектрометрия, основана на измерении эффектов взаимодействия движущихся заряженных частиц с магнитным и электрическим полем. Измеряют масс-спектр.

Спектры могут быть непрерывными и дискретными.

Физическая основа электромагнитной спектрометрии – спектроскопия атомов и молекул, раздел науки, изучающий взаимодействие вещества с электромагнитным излучением. Учение об электромагнитных спектрах излучения и поглощения базируется на квантовых представлениях, введенных Нильсом Бором. Им сформулированы два постулата: о существовании стационарных состояний атомов и о переходах между ними с поглощением и излучением квантов энергии. Электромагнитное излучение может быть описано двумя способами. Первый отражает его волновую природуи наиболее удобен для объяснения таких явлений, как отражение и рассеяние электромагнитного излучения, процессов интерференции, дифракции и преломления электромагнитных волн. Второй способ учитывает его корпускулярную природу и объясняет процессы поглощения и испускания электромагнитного излучения атомами и молекулами.

Электромагнитную спектрометрию классифицируют:

а) по типу частиц, взаимодействующих с электромагнитным излучением

• атомная спектрометрия; позволяет определять элементный и изотопный состав пробы анализируемого вещества по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения;
• молекулярная спектрометрия; позволяет определять функциональный и молекулярный состав пробы анализируемого вещества по молекулярным спектрам поглощения (спектрам в УФ- и видимой области длин волн, ИК-спектрам), рассеяния света (спектрам комбинационного рассеяния света), по спектрам испускания (спектрам люминесценции).

б) по эффекту взаимодействия частиц с электромагнитным излучением

• эмиссионная спектрометрия; измеряют спектры испускания электромагнитного излучения возбужденными различными способами атомами, изотопами, ионами, молекулами, находящимися в пробе анализируемого твёрдого, жидкого или газообразного вещества;
• абсорбционная спектрометрия; измеряют спектры поглощения электромагнитного излучения атомами, ионами, молекулами, находящимися в пробе анализируемого твёрдого, жидкого или газообразного вещества.

Оптические свойства атомов элементов, проявляющиеся при их взаимодействии с электромагнитным излучением оптического диапазона, либо при высокотемпературном возбуждении атомов, используются в спектрометрических оптических методах анализа (атомно-эмиссионная спектрометрия, метод пламенной фотометрии, атомно-абсорбционная спектрометрия, атомная флуореметрия). Измеряют спектры в оптическом диапазоне шкалы электромагнитных волн.

Свойства внутренних электронов атомов, проявляющиеся при их взаимодействии с электромагнитным излучением рентгеновского диапазона, используются в рентгеновских методах (рентгеноспектральный, рентгенофлуоресцентный) химического анализа. Измеряют спектры в рентгеновском диапазоне шкалы электромагнитных волн.

Ядерно-физические свойства атомов элементов используются в ядерно-физических методах химического анализа. Методы основаны на измерении альфа-, бета- или гамма-радиоактивного излучения (альфа-, бета- и гамма-спектрометрия) как естественных или искусственных радионуклидов. Метод, основанный на измерении естественной радиоактивности определяемых элементов, называется радиометрическим. Методы, основанные на измерении наведенной искусственной радиоактивности (наведенной активности) определяемых элементов, относятся к активационным методам анализа (радиоактивационный, нейтронно-активационный, гамма-активационный). Метод, основанный на регистрации характеристического рентгеновского излучениявозбужденными внутренними электронами атомов элементов действием различных заряженных частиц на анализируемое вещество, называется рентгено-радиометрическим методом анализа. Измеряют спектры в гамма-диапазоне шкалы электромагнитных волн.

Магнитные и кинетические свойства заряженных частиц с различной массой, проявляющиеся при их движении в магнитных и электрических полях, используются в масс-спектрометрических методах химического анализа. Измеряют дискретные спектры масс частиц.

Спектрометрия, как физический метод качественного и количественного анализа позволяет определять не только элементный, но и изотопный, функциональный и молекулярного состав вещества, путём измерения либо его электромагнитного спектрав определённом диапазоне длин волн (частот) от микроволнового до γ- излучения в электромагнитной спектрометрии, рис. 3.1, либо масс-спектра в масс-спектрометрии.

Рис.3.1. Шкала электромагнитных волн

Способы обнаружения и способы определения содержания искомых элементов в пробе анализируемого вещества – общие для всех физических методов химического анализа. Качественный анализ основан на индивидуальности электромагнитных, Оже-спектров, акустических и масс-спектров элементов, что связано со строением атомов и их массы. Элемент обнаруживают в пробе анализируемого вещества и идентифицируют по совпадению его спектра со спектром вещества сравнения (эталоном).

Содержание элемента в пробе анализируемого вещества находят по интенсивности измеренного физического свойства из градуировочного графика, построенного по градуировочным смесям с различными точно известными содержаниями определяемого элемента, приготовленными из вещества сравнения. При линейной градуировочной зависимости в массовых анализах может быть использован способ сравнения с одной градуировочной смесью определяемого элемента, либо способ сравнения с одной – двумя фиксированными добавками градуировочной смеси, помещаемыми в пробу анализируемого вещества.

Наиболее распространенными методами элементного анализа в экологическом контроле в России являются атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, атомно-абсорбционная спектрометрия, рентгено-флуоресцентная спектрометрия. В экологических исследовательских работах применяют масс-спектрометрию неорганических веществ, гамма-спектрометрию, нейтронно-активационный метод анализа, в том числе учеными Томского политехнического университета.