Тема 18 – Атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой в химико-токсикологическом анализе.
Цель: Ознакомление студентов с атомной спектрометрией и ядерными методами в элементном анализе токсикантов.
Задачи обучения: научить студентов методам атомно-абсорбционной спектрометрии, атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой в химико-токсикологическом анализе.
Форма проведения: групповое обсуждение с презентацией
Задания по теме:
1. Атомно-абсорбционная спектрометрия
2. Атомно-эмиссионный анализ
Раздаточный материал
1. Обобщенная схема возникновения аналитических сигналов в методах атомной спектрометрии, обусловленных осуществлением соответствующих строго определенных энергетических переходов, приведена на рис. 1. Сначала воздействием высоких температур вещество превращают в атомный пар. т.е. превращают в свободные атомы соответствующих химических элементов. Этот процесс называют атомизацией. Далее при столкновении с частицами плазмы* (атомы, ионы, радикалы, электроны, находящиеся во всех энергетических состояниях) атомы переходят в возбужденное состояние. Один из электронов, находящийся на основном уровне, переходит в возбужденное состояние — на другой уровень, которому соответствует большая энергия.
Это состояние неустойчиво, поэтому через очень малое время (~10-9 с) атом возвращается в исходное состояние: электрон вновь переходит на основной уровень, испуская квант энергии, отвечающий разности энергий на двух уровнях. Это можно записать в виде формулы Планка:
где h — постоянная Планка: v и λ- частота и длина волны спектральной линии, отвечающей данному электронному переходу в соответствующей спектральной области. Линии, для которых переход заканчивается на основном уровне, обычно наиболее интенсивные и чувствительные. Их часто называют резонансными. Так возбуждаются эмиссионные спектры атомов в атомно-эмиссионном методе и фотометрии пламени.
Рис. 6-128. Электронные переходы между основным (0) и возбужденными (I. 2) уровнями — причина происхождения атомных спектров.
2. В атомно-абсорбционном анализе вещество также подвергают атомизации. но таким образом, что возбуждения атомов не происходит. В этом состоянии, которое называют атомным паром, атомы способны поглощать кванты проходящего через него резонансного излучения. В результате интенсивность излучения уменьшается и ее можно измерить. Поглощая свой «родной» квант, атом переходит в возбужденное состояние и далее в основное, однако здесь соответствующая энергия деградирует в колебательную форму — в тепло. Индивидуальность линейчатых атомных спектров всецело определяется строением внешней электронной оболочки атомов и ее заполнением электронами. В теории принято характеризовать энергию электрона на каждом уровне с помощью аппарата квантовых чисел и соответствующей символики. Это позволяет описывать электронные переходы, приводящие к возникновению спектров. В методах атомной спектрометрии могут осуществляться только электронные переходы с изменением орбитального квантового числа. Соответствующий переход иногда обозначают термином «оптический электрон».
Атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный методы характеризуются низкими пределами обнаружения, особенно при использовании индуктивно связанной плазмы (ИСП) и электротермической атомизации.
3. Атомно-эмиссионный анализ позволяет определять до 70 элементов, в основном металлы. Для этого анализируемую пробу вводят в источник возбуждения (плазма электрического дугового разряда, высоковольтная искра, газовое пламя, индукционно-связанная плазма-ИСП), где она испаряется и переходит в атомарное состояние. Атомы возбуждаются и, возвращаясь в основное состояние, испускают кванты. Суммарное излучение разлагается в линейчатый спектр. Регистрируют наличие, положение и интенсивность спектральных линий, отвечающих разрешенным правилами квантовой механики переходам внешних валентных электронов того или иного элемента. Функцией природы атомов является длина волны спектральной линии в оптической области 200—800 нм. функцией количества — интенсивность этих линий. Схема техники измерения приведена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема измерений в атомно-эмиссионном методе
1 — источник возбуждения: электрическая дуга, искра; индуктивно-связанная плазма инертного газа;
2 — монохроматор: призма [оптическое стекло, кварц (для УФ)]; дифракционная решетка: 3 — выходная щель; 4 — приемник излучения: фотоэлектронный умножитель, диодная матрица: 5 — усилитель-преобразователь; 6 — отсчетное устройство.
В атомно-эмиссионной фотометрии пламени:
I — газовое пламя; 2 — интерференционный светофильтр (другие монохроматоры).
Основная область применения атомно-эмиссионного анализа — определение металлов в различных объектах.
Атомно-эмиссионный анализ с ИСП. Метод применяют для определения элементов в растворах. Основное преимущество — возможность определять из одной пробы большое количество элементов параллельно или последовательно в зависимости от конструкции прибора.
Литература
1. Токсикологическая химия: метаболизм и анализ токсикантов: учебное пособие + СD/ под ред. Н.И. Калетиной. – М., 2008. – 1016 с. Переплет.
2. Токсикологическая химия: учебник / под ред. Т.В. Плетеневой. – 2-ое изд. – М., 2008. – 512 с. Переплет.
3. Лужников Е.А. Клиническая токсикология. -М.,"Медицина", 1994. –189с.
4. Крамаренко В. Ф. Токсикологическая химия / В. Ф. Крамаренко. - Киев, «Высшая школа», 1989.- 272с.
Контрольные вопросы
1. Схема возникновения аналитических сигналов в методах атомной спектрометрии,
2. Особенности атомно-абсорбционная спектрометрия
3. Метод атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой в химико-токсикологическом анализе.