Количественный атомно-эмиссионный анализ
Внесенная в источник света проба нагревается, плавится и испаряется. В парах происходит атомизация и возбуждение атомов и ионов. Возвращаясь в нормальное состояние, они испускают избыточную энергию в виде фотонов света. При переходе одного атома с верхнего уровня на нижний испускается один фотон, с энергией hv = Еверх - Енижн, где h — постоянная Планка. Частоту и длину волны этого фотона можно рассчитать по формулам
У = (£'верх-£нижн)/Л; (5.1)
Я. = hc/(£Bepx~ Етжн). (5.2)
Чем больше атомов совершит такой переход, тем больше фотонов одинаковой энергии (длины волны) будет в излучении. Все фотоны одинаковой длины волны спектральный прибор собирает в одну спектральную линию. Интенсивность соответствующей линии зависит от того, насколько много атомов совершит данный переход в одну секунду.
В основе количественного АЭСА лежит зависимость интенсивности спектральной линии анализируемого элемента от его концентрации в пробе:
1=аО, (5.3)
где / — интенсивность спектральной линии; а — коэффициент, зависящий от условий испарения, атомизащш, возбуждения; С — концентрация элемента в пробе; b — коэффициент, зависящий от концентрации элемента.
Из уравнения (5.3) видно, что интенсивность спектральной линии зависит не только от концентрации, но и от множества других факторов.
В зависимости от способа введения пробы в источник света она может испаряться полностью или частично. Например, в отверстии угольного электрода проба целиком плавится, расплав закипает и испаряется практически вся проба, а при введении монолитного металлического образца в качестве электрода дуги или искры испаряется лишь незначительная его часть. Порошки (руды, строительные материалы, горные породы и т. п.) состоят из солей или оксидов металлов и испаряются в виде молекул. Металлические образцы (монолиты, стружка, опилки) испаряются преимущественно в виде отдельных атомов.
Не все молекулы в зоне возбуждения атомизируются. Кроме того, при высокой температуре источника могут образовываться и новые молекулы, например оксиды. Какую часть от концентрации элемента в зоне возбуждения составляют его свободные атомы зависит от химического состава пробы и атмосферы, в которой идет атомизация. При повышении температуры количество свободных атомов увеличивается. Часть атомов определяемого элемента в источнике света возбуждается, а часть — ионизируется. И чем ниже энергия ионизации атома, тем больше ионов и электронов находится в зоне возбуждения. При повышении температуры их количество еще больше возрастает. Например, при 1 500К атомы натрия практически не иониизированы, при 4000К ионизация натрия проходит нацело.
В источниках света возбуждение и ионизация чаще всего происходят при столкновении атомов и ионов с электронами. При этом не все столкновения приводят к возбуждению или иониза-
ции. Большинство атомов остается невозбужденными, на самом нижнем возбужденном уровне концентрация атомов больше, чем на всех остальных возбужденных, вместе взятых. Чем выше уровень, тем меньше на нем концентрация атомов.
Таким образом, интенсивность линий в значительной степени зависит от условий испарения, атомизации и возбуждения. А эти условия определяются типом источника, температурой в зоне возбуждения и химическим составом пробы. Химический состав влияет на температуру кипения, плавления и другие физические и химические свойства всего образца. Например, при одинаковой концентрации марганца в стали и сплаве на алюминиевой основе при прочих равных условиях интенсивность линии марганца выше в спектре алюминиевого сплава, так как алюминий имеет более низкую температуру плавления и кипения, чем железо.
Кроме того, интенсивность линий зависит от состояния анализируемых образцов. Например, тонкая проволока нагревается сильнее, чем длинный образец большого диаметра из того же материала. Очевидно, что при одной и той же концентрации определяемого элемента в этих образцах интенсивность его линии будет больше в спектре проволоки.
Влияние условий получения спектра на интенсивность линий в каждом случае непредсказуемо, коэффициенты а и b в уравнении (5.3) неизвестны. Поэтому в количественном АЭСА всегда зависимость /от С определяют экспериментально с помощью стандартных образцов. Спектры стандартных и анализируемых образцов получают в одинаковых условиях. Во всех спектрах измеряют аналитический сигнал от линии одной и той же длины волны. Например, при фотографической регистрации спектра аналитическим сигналом является степень почернения линии на фотографической пластинке. Зависимость аналитического сигнала от концентрации чаще всего выражают в виде градуировочного графика, построенного в координатах: концентрация — аналитический сигнал. Измерив аналитический сигнал в спектре анализируемого образца, определяют в нем по графику концентрацию анализируемого элемента.
Аппаратура' для количественного АЭСА. Для количественного АЭСА применяют дуговые и искровые источники света. Для определения концентрации щелочных и щелочноземельных металлов часто используют пламя. В пламени энергия, необходимая для испарения, атомизации и возбуждения анализируемого вещества, выделяется в результате химических реакций горения. Количество энергии зависит от состава газовой смеси. Наиболее распространенные газовые смеси — пропан/воздух, ацетилен/оксид азота. Пламя — наиболее низкотемпературный источник света, поэтому в нем возбуждаются только металлы с невысокой энергией возбуждения (щелочные и щелочноземельные металлы).
В настоящее время широко используют источники света на основе высокочастотного (ВЧ) газового разряда. Высокочастотным называют газовый разряд, в котором частота разрядного тока — от единиц до десятков мегагерц. Наибольшее распространение для анализа получил ВЧ разряд, который возбуждается в потоке инертного газа, проходящем через открытую разрядную трубку (рис. 5.6). Верхняя часть трубки помещена в катушку индуктивности, по которой идет ток от ВЧ генератора. В результате действия ВЧ электрического поля заряженные частицы (ионы, электроны) в газе приходят в колебательное движение и, сталкиваясь с атомами газа, возбуждают и ионизируют их. Столкновений оказывается так много, что отпадает необходимость в электродах внутри трубки. Этот разряд называют индуктивно-связанной плазмой (ИСП). Основным узлом установки ИСП является горелка (см. рис. 5.6), состоящая из трех кварцевых трубок, вставленных одна в другую. По трубкам подается аргон. В индуктивно-связанной плазме различают три зоны (рис. 5.7), наибольшая температура — до 10 000 К — в зоне разряда, где протекает ВЧ электрический ток. По центральной трубке подается анализируемый раствор в виде аэрозоля — мелких капелек, взвешенных в аргоне. Проба проходит по центру горелки и участия в газовом разряде не принимает. В этой зоне предварительного разогрева происходят испарение растворителя и растворенного вещества, атомизация, ионизация и возбуждение атомов и ионов пробы. Вместе с газоразрядной плазмой аргона возбужденные и испускающие свет атомы и ионы пробы выдуваются потоком аргона в факел, т. е. в аналитическую зону. Именно из этой зоны направляют свет в спектральный прибор. Температура факела понижается по мере удаления от края трубки. Одним из важных условий, которое необходимо выбирать при выполнении анализа, является высота наблюдения факела. Например, условия, благоприятные для возбуждения ионов, — в самой нижней части факела — 5—10 мм от верхнего витка катушки индуктивности. ' Индуктивно-связанная плазма обладает рядом преимуществ над другими источниками света. За время прохождения пробы по трубке каждая капелька успевает полностью испариться, молекулы практически на 100 % распадают-»
ся на атомы. В индуктивно-связанной плазме возбуждается около 70 элементов. Определять можно легко- и трудновозбудимые элементы, элементы с высокой и низкой температурой кипения. Этот источник отличается высокой стабильностью, т. е. с течением времени температура факела остается постоянной. Химический состав пробы мало влияет на интенсивность спектральных линий определяемых элементов. Линейная зависимость интенсивности спектральной линии от концентрации сохраняется в большом диапазоне концентраций. Поэтому можно одновременно определять содержание основных элементов пробы, макро- и микропримеси.
Спектральные приборы. Приборы с фотоэлектрической регистрацией спектра. Для количественного АЭСА достаточно часто используют спектрографы. Помимо спектрографов в количественном анализе находят применение спектрометры — спектральные приборы с фотоэлектрической регистрацией. Приемниками света в спектрометрах являются фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ), в основе работы которых лежит явление фотоэффекта. В фотоэлементе (фотоэлектронном умножителе) световой поток преобразуется в электрический ток. Сила тока прямо пропорциональна интенсивности света, попавшего на ФЭ (ФЭУ).
Выполнение количественного анализа заключается в следующем: на приемник направляют свет от одной аналитической ли-
нии и измеряют возникающий при этом электрический ток. Для решения этой задачи существует два типа спектральных приборов с фотоэлектрической регистрацией — фильтровые и дисперсионные. В фильтровых приборах — фотометрах — для выделения нужной линии используют светофильтры (цветные стекла).
Примером такого прибора является пламенный фотометр (ПФ) (рис. 5.8). Он предназначен для количественного определения щелочных и щелочноземельных металлов в растворе. Их аналитические линии лежат в видимой части спектра. Фотометр состоит из горелки 3, в пламя которой в виде аэрозоля подается анализируемый раствор 9. Происходит испарение капелек аэрозоля, атоми-зация, возбуждение атомов щелочных (щелочноземельных) металлов и испускание ими света. Свет от пламени проходит через светофильтр 5. После светофильтра на ФЭ 6 или ФЭУ попадает узкий диапазон длин волн, в который входит длина волны аналитической линии. Интенсивность этой линии оценивают силой тока. Обычно фотометр рассчитан на определение концентрации трех-
Рис. 5.9. Оптическая схема одноканального спектрометра, собранного на базе монохроматора УМ-2: S\, S2 — входная и выходная щели; Lb L2 — объективы; D — диспергирующая призма; 1 — фотоэлемент (фотоэлектронный умножитель); 2 — усилитель; 3 — регистрирующий прибор
четырех элементов, для каждого из которых имеется свой светофильтр.
В дисперсионных приборах — спектрометрах — нужные линии выделяются с помощью спектрального прибора монохроматора или полихроматора. Монохроматор — спектральный прибор с двумя щелями — входной и выходной (рис. 5.9). Через выходную щель на ФЭ или ФЭУ можно вывести свет любой нужной спектральной линии и оценить ее интенсивность. Спектральный прибор на базе монохроматора называют одноканальным спектрометром.
Многоканальный спектрометр — прибор с фотоэлектрической регистрацией спектра, собранный на базе полихроматора (рис. 5.10). Полихроматор — спектральный прибор, в котором одна входная 2 и множество выходных 4 щелей. Каждая щель снабжена своим приемником, чаще ФЭУ 5. Выходная щель с приемником образуют отдельный измерительный канал. В многоканальных спектрометрах одновременно могут работать 30 выходных щелей (каналов) и более. Например, отечественный прибор ДФС-36 имеет 36 выходных щелей.
Многоканальные спектрометры, как правило, имеют целевое назначение, т.е. предназначены для количественного анализа однотипных образцов на содержание определенных элементов. Например, установка для анализа стали на содержание легирующих добавок кроме полихроматора включает генератор дугового и искрового разрядов, штатив для электродов.
Современные приборы комплектуют ЭВМ, которая задает и контролирует последовательность выполнения всех аналитических операций: включение генератора в заданном режиме, время экспозиции, порядок измерения аналитических линий и т.д. По заранее составленной программе ЭВМ выполняет все необходимые расчеты: проверяет калибровку прибора и при необходимости вво-
дит поправки, берет усредненное значение аналитического сигнала, определяет концентрации анализируемых элементов, учитывает возможные погрешности результатов анализа. Существуют установки с возбуждением в ИСП, в которых могут быть использованы и монохроматор, и полихроматор одновременно (рис. 5.11). Все приборы с ИСП автоматизированы на базе ЭВМ.
Приборы с визуальной регистрацией. Для визуального наблют дения спектра предназначен стилоскоп и стилометр. Приемником света в визуальных приборах является человеческий глаз. Можно наблюдать спектр глазом только в диапазоне длин волн 400—750 нм (видимая область). Наибольшая чувствительность глаза приходится на желто-зеленую область спектра (около 550 нм). В коротковолновой и длинноволновой областях чувствительность глаза довольно резко падает. При очень большой интенсивности свет оказывает слепящее действие. При очень малых интенсивностях глаз не способен различать цвета. Визуально невозможно измерить интенсивность (яркость) линии, сказать, во сколько раз одна линия интенсивнее другой, но можно установить равенство или неравенство интенсивности двух линий. Лучше различаются интенсивности двух линий, находящихся рядом. Все особенности глаза учитывают при составлении методик анализа.
В комплект стилоскопа входят: спектральный прибор со стеклянной оптикой, генератор дуги переменного тока и низковольт-
ной искры, специальный штатив для электродов. Визуальное наблюдение спектра требует, чтобы прибор обладал достаточно высокой разрешающей способностью и линейной дисперсией. Сти-лоскопы бывают стационарными и переносными. Необходимость в последних возникает при анализе крупных образцов или деталей большого сооружения — трубопровода или мостовой фермы.
В стилометрах помимо простого наблюдения спектра предусмотрена возможность измерения относительной интенсивности линий.
Классификация методов количественного АЭСА. Методики анализа различных материалов во многом похожи, различаются они чаще всего лишь подготовкой пробы и способом введения ее в источник света. Поэтому в виде самостоятельных выделились следующие разделы спектрального анализа: анализ сплавов и металлов; анализ руд и горных пород; анализ силикатов; анализ газовых смесей и т. д. Для каждого раздела имеются свои методики анализа. В особый раздел спектрального анализа выделен анализ чистых материалов. К таким материалам могут относиться и металлы, и газы, но в основном это материалы атомной промышленности, полупроводники, химические реактивы. Можно выделить локальный спектральный анализ, т. е. анализ в отдельной точке образца. Например, при анализе горных пород бывает необходимо знать не только их общий состав, но и состав отдельных вкраплений. При сварке двух разных металлов представляет интерес глубина проникновения одного металла в другой, что сказывается на качестве сварного шва. Часто возникает необходимость в анализе тонких металлических покрытий. В самостоятельный раздел выделилась пламенная фотометрия.
Полуколичественный анализ — приблизительная оценка концентрации элемента. Такой анализ требует меньше времени и затрат, но при этом снижается точность анализа. Погрешности результатов полуколичественного анализа доходят до нескольких десятков процентов от измеряемой концентрации. Имеется множество методик полуколичественного анализа стилоскопическим и стило-метрическим методами.
В количественном анализе пробу готовят более тщательно, стабилизируют условия атомизации и возбужения, более точно измеряют аналитический сигнал. Погрешность анализа снижается при этом до 1 — 2 %.
В спектрографическом методе спектры (трех и более) стандартных образцов фотографируют на спектрографе. Для уменьшения случайной погрешности спектр каждого образца фотографируют не менее трех раз. Аналитическим сигналом в спектрографическом методе является степень почернения аналитической линии на фотопластинке. Для построения градуировочного графика с помощью специального прибора — микрофотометра — измеряют
почернение аналитической линии в спектрах всех стандартных образцов. Для каждого образца рассчитывают среднее значение почернения. График можно строить в координатах: концентрация — интенсивность почернения аналитической линии. Иногда по оси абсцисс откладывают не концентрацию, а логарифм концентрации (рис. 5.12). Далее в тех же условиях фотографируют спектры анализируемой пробы и измеряют почернение той же спектральной линии. Концентрацию определяемого элемента в пробе определяют по градуировочному графику (см. рис. 5.12).
В спектрометрических методах анализа для получения спектров используют одно- и многоканальные спектрометры. Аналитическим сигналом является сила тока или напряжение. Для построения градуировочного графика в одинаковых условиях получают спектры стадартных и анализируемых образцов. Из каждого спектра через выходную щель выводят аналитическую линию на ФЭ или ФЭУ и измеряют силу тока (напряжение). Градуировочный график строят в координатах: концентрация — сила тока (напряжение). Одноканальный спектрометр можно использовать для многоэлементного анализа, последовательно выводя на выходную щель спектральные линии всех определяемых элементов. Многоканальные спектрометры позволяют одновременно определять концентрацию нескольких элементов.
На производствах, где ежедневно анализируют однотипные образцы, градуировочный график можно строить заранее по большому числу усредненных данных. Тогда в процессе анализа нужно получать только спектры анализируемых образцов и по постоянному градуировочному графику определять концентрацию.
Визуальные методы анализа осуществляют при помощи приборов с визуальной регистрацией спектра спектроскопов. Визуальные методы подразделяют на стилоскопические и стилометрические. Интенсивность спектральных линий оценивают визуально.
Метод трех стандартных образцов (эталонов) заключается в том, что спектры нескольких стандартных и анализируемых образцов один лаборант получает в одних и тех же условиях — в
один день на одних и тех же приборах с одними материалами, реактивами. Градуировочный график строят каждый раз при выполнении анализа. Если график прямолинейный, время анализа можно сократить за счет уменьшения числа стандартных образцов до трех-четырех. Этот метод требует значительного времени. Его целесообразно использовать для разовых анализов.
При методе постоянного {твердого) градуировочного графика его строят заранее. Для построения используют 8—10 стандартных образцов. Спектр каждого образца получают 30 раз и более в одних и тех же условиях, накапливая данные в течение длительного времени (до нескольких месяцев). Многократно полученный аналитический сигнал от линии определяемого элемента в спектрах одного стандартного образца усредняют. График строят в координатах: концентрация (или логарифм концентрации) — среднее значение аналитического сигнала. Целесообразно применять метод постоянного градуировочного графика в производственных условиях, когда изо дня в день выполняют анализ однотипных образцов, и анализ необходимо проводить быстро, например анализ стали в процессе плавки. Постоянный график время от времени приходится проверять по стандартным образцам.
Метод добавок используют для анализа порошков и растворов, когда общий состав анализируемого образца неизвестен или нет соответствующих стандартных образцов. В этих случаях стандартные образцы готовят на базе анализируемого образца. Его делят на несколько частей, в одну часть ничего не добавляют, а в остальные вводят добавки определяемого элемента в известной концентрации. Градуировочный график строят, откладывая по оси ординат величину аналитического сигнала (степень почернения линии, силу тока), по оси абсцисс — концентрацию введенной добавки (Сдоб). График не проходит через начало координат, так как при нулевой концентрации добавки Сдоб = 0 аналитический сигнал соответствует концентрации элемента в исходной пробе. Градуировочный график продолжают до пересечения с осью абсцисс. Искомой концентрации Сх соответствует отрезок от точки пересечения до начала координат (рис. 5.13).
Рассмотренные методы могут быть использованы в спектрографическом, спектрометрическом и визуальном анализах.
Стандартные образцы состава. Стандартные образцы состава (СОС) —
специально приготовленные материалы, в которых концентрация компонентов установлена с большой точностью и указана в аттестате. Компоненты равномерно распределены по всему объему образца. Химический состав СОС остается постоянным длительное время. Существуют стандартные образцы — государственные (ГСО), отраслевые (ОСО) и стандартные образцы предприятия (СОП). Государственные образцы могут быть использованы в любой лаборатории Российской Федерации. Изготовляют ГСО ЗАО «Институт стандартных образцов», Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ). Государственные образцы металлических сплавов, руд, горных пород, строительных и других материалов слишком дороги, чтобы использовать их для построения градуировочных графиков в рядовых анализах. Их применяют при аттестации ОСО и методик анализа.
Отраслевые стандартные образцы изготовляют и аттестуют НИИ соответствующей отрасли промышленности (например, ОСО сталей, чугунов для черной металлургии изготовляет Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии (ЦНИИчермет)). Только в пределах соответствующей отрасли ОСО являются стандартом. Их используют для аттестации СОП и методик анализа, применяемых в данной отрасли. В лаборатории завода или НИИ изготовляют СОП. Эти образцы аттестуются и могут быть использованы только в лабораториях данного предприятия для построения градуировочных графиков. Изготовление стандартных образцов — сложный и трудоемкий процесс, требующий высокой квалификации специалистов. В соответствии с требованиями к материалу СО весь процесс их изготовления можно разделить на следующие этапы: приготовление материала; исследование однородности материала; определение химического состава; аттестация. Правильность количественного АЭСА в основном определяется тем, насколько хорошо подобраны СО и соответствуют анализируемым образцам по физическим, химическим и другим свойствам.
Отбор и подготовка проб. Термин «проба» означает часть анализируемого материала, представительно отражающая его химический состав. В растворах и газовых смесях компоненты распределены равномерно, поэтому даже малое количество раствора оказывается представительным. В твердых материалах элементы распределены уже не так равномерно. Поэтому состав маленькой пробы, взятой из одного места, может сильно отличаться от среднего состава всего материала. В этом случае пробу составляют из множества проб, отобранных от разных участков анализируемого материала. К наиболее неоднородным материалам относятся горные породы, руды, строительные материалы. Их образцы поступают в лабораторию обычно в виде довольно мелкого порошка массой 50—
100 г. В лаборатории порошок сначала тщательно доизмельчают и перемешивают. Затем от него отбирают частичные пробы, соединяют их вместе и опять перемешивают. От монолитного металлического образца пробу отбирают в виде куска, который используют в качестве электрода дуги (искры) или в виде небольшого кусочка, который можно испарить из отверстия электрода.
Для полуколичественного анализа пробу чаще всего используют в том виде, в котором она взята от образца. В качестве источника света используют дуговой или искровой разряды. В количественном анализе подготовка пробы усложняется. Источником света может быть пламя, дуговой, искровой разряды, ИСП в зависимости от аналитической задачи. Подготовка пробы определяется свойствами пробы и применяемым источником света. В дуговом и искровом разрядах на интенсивность аналитических линий сильно влияет химический состав образца. И если состав стандартных образцов отличается от состава анализируемых, то и в пробу, и в стандартные образцы добавляют некоторое вещество — буфер, способствующий подавлению влияния состава. При анализе металлических сплавов форма и размер стандартных и анализируемых образцов должны быть одинаковыми.
Погрешности количественного АЭСА. Количественный анализ в заводских лабораториях всегда проводят по аттестованной методике, но и в этом случае не исключена вероятность появления погрешностей. Основной причиной случайных погрешностей являются случайные изменения в режиме работы источника света, недостаточная однородность отобранной пробы и т.п. Избежать случайных погрешностей нельзя, так как невозможно со-» всем устранить случайные изменения интенсивности линий. Однако уменьшить случайную погрешность можно, увеличив число
Рис. 5.15. Смещение градуировочного графика при несоответствии стандартных образцов анализируемым образцам (АС — систематическая погрешность при определении концентрации по смещенному графику)
измерений концентрации. Для того чтобы снизить случайную погрешность хотя бы в 4 раза, необходимо провести 16 измерений, а это практически нереально. Чаще всего выполняют 3 — 5 параллельных измерений. При построении градуировочных графиков следует учитывать, что из-за случайных погрешностей точки не ложатся на прямую. Градуировочный график следует проводить между точками (рис. 5.14).
Одной из основных причин систематической погрешности является неполное соответствие стандартных образцов анализируемым. Если стандартные образцы отличаются от анализируемых по химическому составу или физическим свойствам, то градуировочный график не будет правильно отражать зависимость интенсивности аналитической линии от концентрации. Он может оказаться смещенным или иметь другой наклон (рис. 5.15). Результат анализа, полученный с помощью такого графика, будет неправильным.
Систематическая погрешность может возникнуть при использовании недостаточного числа стандартных образцов, когда градуировочный график нелинейный. Наличие и величину систематической погрешности можно установить, пользуясь ГСО и ОСО исследуемого материала. Для этого нужно в тех же условиях, что и для построения градуировочного графика, получить спектр ГСО (ОСО) и по графику определить содержание анализируемого элемента. Если результат будет отличаться от концентрации, указанной в аттестате СО больше чем на 3S(S— стандартное отклонение методики), наличие систематической погрешности установлено. Для уменьшения систематической погрешности в первую очередь необходимо правильно подобрать стандартные образцы. Если таких образцов нет, можно добавить буфер во все стандартные и анализируемые образцы или выполнять анализ методом добавок.
Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 949 | Нарушение авторских прав
|