Расшифровка полученных спектров: качественный и количественный анализ содержащихся ингредиентов

ЛР № 16 Принципы действия приборов, регистрирующих атомные эмиссионные спектры

Цель: Ознакомиться с принципом действия приборов контроля компонентов окружающей среды, регистрирующих излучение (эмиссию).

Контролируемые объекты и вещества.

Принцип действия и основные узлы приборов, регистрирующих атомные эмиссионные спектры

Приборы атомно-эмиссионной спектроскопии (фотометры и спектрофотометры) широко применяются в анализе состава компонентов окружающей среды, при определении различных примесей и загрязнений. Данная группа приборов регистрирует спектры испускания (эмиссионные). Эмиссионные спектры образуются при разложении (дисперсии) квантов света, которые испускает проба в возбужденном состоянии, на отдельные длины волн.

По полученным в результате дисперсии спектрам производят идентификацию вещества (качественный анализ) и определяют его концентрацию в пробе (количественный анализ).

В качестве источников возбуждения могут применяться пламя (t~2000-3000^оС), электрическая дуга (t~5000-7000^оС), высоковольтная электрическая искра (t~7000-15000^оС). Для получения пламени используют газовую горелку, для образования дуги – дуговой генератор либо плазменную горелку или плазмотрон, который представляет собой камеру с двумя графитовыми электродами, между которыми зажигается дуга при силе тока 20-30 А. По трубке, расположенной касательно к стенке подается инертный газ. Температура в плазме достигает 5000-10000^оС и выше. Анализируемый раствор подается в плазму специальным распылителем. Для образования искры применяют искровой генератор.

Диспергирующий элемент разлагает излучение в спектр, что определяет разрешающую способность прибора. Под разрешающей способностью прибора эмиссионной спектроскопии понимают его способность давать раздельное изображение двух спектральных линий с близкими длинами волн.

В качестве диспергирующих элементов используют: 1) призму, которую изготавливают из стекла для работы в видимом и ближнем инфракрасном участках спектра и из кварца для работы в ультрафиолетовой области спектра; 2) дифракционную решетку, которая представляет собой стеклянную пластину с нанесенными на нее черными штрихами и имеет широкий спектральный интервал, доступный для исследования (от 200 до 1000 нм).

Приемник света характеризуется спектральной чувствительностью, т.е. способностью воспринимать излучение различной длины волны. Глаз человека чувствителен к свету в области спектра примерно от 400 до 760 нм с максимальной чувствительностью к желто-зеленому свету (550 нм), которая убывает в обе стороны – красной и фиолетовой. Фотопластинка регистрирует спектр в виде фотоснимка с потемнениями разной интенсивности на месте спектральных линий. Фотоэлемент – это устройство, преобразующее световую энергию в электрическую. Усовершенствованной моделью фотоэлемента является фотоумножитель, который усиливает преобразованную электрическую энергию в несколько раз, что повышает чувствительность прибора и облегчает регистрацию аналитического сигнала.

Расшифровка полученных спектров: качественный и количественный анализ содержащихся ингредиентов

После получения спектра анализируемого вещества производят качественный и количественный анализ его компонентов.

Основой качественного (определение состава вещества) эмиссионного спектрального анализа является свойство каждого химического элемента излучать спектр характерной длины волны. Общее число линий в спектре многих элементов очень велико: у тория свыше 2500 линий, у урана – более 5000. Поэтому для целей качественного анализа необходимо установить наличие или отсутствие в спектре так называемых аналитических или последних линий, которые получили свое название потому, что исчезают последними в спектре элемента при уменьшении его концентрации в определяемой пробе. Последние линии хорошо изучены, их длины волн и характеристику интенсивности можно найти в специальных таблицах и атласах спектрального анализа, которые составлены в зависимости от источника возбуждения, в котором получен спектр.

Для определения состава анализируемого вещества его спектр фотографируют обычно над спектром железа (является вторичным стандартом), имеющего в своем составе наибольшее количество характерных линий (рис.2).

Для определения длины волны заданной линии измеряют расстояние а₁ от этой линии до ближайшей к ней линии спектра железа, длина волны которой точно известна, и расстояние а₂ до другой линии с известной длиной волны (рис. 3).

После этого рассчитывают длину волны по формуле 1.:

. (формула 1.)

Задача 1. При исследовании эмиссионного спектра анализируемого образца почв была выделена аналитическая линия с неизвестной длиной λ_х. В целях определения длины волны рассматриваемой линии выбраны две близкорасположенные линии в спектре железа с известными длинами волн: λ₁ = 321,0 и λ₂ = 322,2 нм. На измерительной шкале микроскопа получены следующие отсчеты: b₁ = 9,12 – отметка расположения первой линии в спектре железа, расположенной слева от анализируемой линии, b₂ = 10,48 – отметка второй линии в спектре железа, расположенной справа от анализируемой линии, b_х = 10,13 мм – отметка анализируемой линии, выделенной в спектре почвенного образца. Какова длина волны искомой линии? Идентифицировать по выделенной линии вещество, входящее в состав образца.

Решение. Так как выбранные линии железа – λ₁ и λ₂ находятся соответственно слева и справа, для определения длины волны анализируемой линии воспользуемся формулой 1.

1. Предварительно по данным отсчета находим расстояния от линий в спектре железа до определяемой линии – значения а₁ и а₂: а₁ = b_х - b_1, а₂ = b₂ - b_х

2. Подставляем соответствующие числовые значения в уравнение (формула 1.) и находим значение λ_х:

По таблице 6 «Наиболее характерные линии в спектре некоторых почв» можно идентифицировать вещество: линия с длиной волны 321,89 нм характерна для группы линий в составе спектра железа.

Количественные показатели элементов, содержащихся в исследуемой пробе, определяют при помощи различных способов. Одним из них является определение по интенсивности спектральных линий. Интенсивность спектральных линий при прочих равных условиях определяется количеством возбужденных атомов в источнике возбуждения, которое зависит не только от концентрации элемента в пробе, но и от условий возбуждения. Связь между интенсивностью спектральной линии и концентрацией элемента в пробе при стабильной работе источника возбуждения устанавливается уравнением:

I = ac, (формула 2.)

где а – коэффициент пропорциональности; с – концентрация вещества.

В зависимости от способов оценки интенсивности различают следующие методы: 1) визуальный; 2) фотографический; 3) фотоэлектрический.

Наиболее распространенным из фотографических методов количественного спектрального анализа является метод трех эталонов. Сущность его заключается в том, что на одной пластинке фотографируют спектры анализируемого образца и трех эталонов, т.е. образцов, содержащих известное количество определяемого элемента, их еще называют стандартными образцами. По спектрам эталонов строят градуировочный график, по которому потом находят значение концентрации вещества в рассматриваемой пробе.

Достаточно широко распространен для количественного анализа также способ одного стандарта или метод сравнения. Сущность его заключается в том, что при одном и том же режиме работе эмиссионного прибора снимают интенсивность свечения аналитических линий стандартного (I_ст.) и анализируемого (I_х.) растворов. Затем, подставив в формулу 1.4 указанные величины, получим формулу для расчета концентрации определяемого компонента в зависимости от интенсивности свечения аналитических линий:

. (формула 3)

Задача 2. Для определения натрия в сточных водах был применен метод сравнения. Интенсивность стандартного раствора натрия с концентрацией 5 мг/мл равна 20 условным единицам, а анализируемый раствор имел интенсивность 13 у.е. Определить концентрацию натрия в сточной воде.

Решение. Для решения воспользуемся формулой 3:

Ход работы:

1. Ознакомьтесь с приборами регистрирующих атомные эмиссионные спектры, их основными узлами и принципом действия. Кратко отразите в отчете, зарисуйте рисунки.

2. Опишите расшифровку полученных спектров при проведении качественного и количественного анализа содержащихся ингредиентов. Зарисуйте рисунки

3. Познакомьтесь с примерами интерпретации полученных результатов замеров, решите задачи.

4. Сделайте выводы

МДК 01.01 Приложение к ЛБ 16

Решить задачи:

1) При исследовании почвенного образца был получен эмиссионный спектр. На рис. 3.2 представлено увеличенное изображение участка фотопластинки с заснятым спектром и миллиметровой шкалы, вмонтированной в объектив увеличителя. Определите длину волны неизвестной линии, и идентифицируйте вещество в соответствии с таблицей (табл. 6, приложения) наиболее характерных линий в спектре почв.

2) При исследовании почвенных образцов были выявлены аналитические линии неизвестных веществ.

Для определения длины волны выявленных линий были выбраны две близлежащие линии в спектре железа с длинами волн λ₁ и λ₂, и сняты отсчеты по шкале измерительного микроскопа для этих линий, которые были равны соответственно b₁ и b₂ (таблица). Определить длину волны заданной линии, если отсчет по шкале для нее равен b_х. Идентифицировать аналитические линии по таблице наиболее характерных линий в спектре почв (табл. 1, приложения).

Приложение

Таблица 6 - Наиболее характерные линии в спектре некоторых почв.