Метод оптической эмиссионной спектрометрии

Введение

Метод атомно-эмиссионной спектрометрии (АЭС) (или в западной терминологии оптическая эмиссионная спектрометрия – Optical Emission Spectrometry (OES)) является в настоящее время одним из наиболее информативных и распространенных методов многоэлементного анализа объектов различной природы вследствие высокой чувствительности, экспрессности, а также доступности нового поколения аналитического оборудования. Однако возможности метода АЭС для анализа промышленных материалов в ряде случаев ограничены несколькими факторами. Во-первых, применяемым спектрометром и его конструкцией, которая должна обеспечивать необходимый спектральный диапазон по длинам волн, разрешение, чувствительность, стабильность положения спектральных линий. Во-вторых, спектрометр должен быть гармонизирован с применяемым для возбуждения спектра источником – генератором, который создает разряд в виде дуги, искры или индуктивно-связанный, два последний как правило создают плазму в среде аргона.

Метод АЭС с возбуждением спектра в искре практически самый распространенный и востребованный при определении состава металлов и сплавов. Широко применяется в различных областях науки и техники для контроля качества продукции металлургического производства (входном, операционном, выходном контроле). Метода АЭС имеет ряд достоинств, по сравнению с другими химическими и физико-химическим методам, высокая экспрессность за счет возможности одновременного количественного определения большого числа элементов в широком диапазоне концентраций с требуемой точностью при использовании малой массы пробы.

В настоящее время для аналитического контроля промышленно выпускаемых сталей и сплавов на основе алюминия, меди, никеля, титана и др. нормативными документами (ГОСТ, ASTM, ISO) рекомендован фотографический и фотоэлектрический эмиссионный спектральный метод анализа твердых образцов с помощью оптических спектральных приборов. Это спектрографы, монохроматоры, многоканальные спектрометры с различными диспергирующими элементами. Регистрация спектра в фотоэлектрических спектральных приборах, в том числе в многоканальных спектрометрах, осуществляется с применением фото-электрических умножителей (ФЭУ), фотодиодов, диодных линеек и т.п.

Принципы, достоинства и ограничения, особенности применения метода

Атомным эмиссионным спектральным анализом (АЭСА) называется способ определения элементного состава вещества по оптическим линейчатым спектрам излучения атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемым в так называемых горячих источниках света. Физический механизм и закономерности возбуждения и излучения атомных спектров описаны в многочисленных монографиях и учебниках по спектроскопии и спектральному анализу. Хочется отметить, что для каждого элемента характерны свои специфические линейчатые спектры излучения атомов и ионов, позволяющие идентифицировать эти элементы в анализируемой пробе, при этом интенсивность спектральных линий данного элемента зависит от его количественного содержания.

Процесс АЭСА состоит из следующих основных этапов:

l) испарение анализируемой пробы;

2) диссоциация — атомизация ее молекул;

3) возбуждение излучения атомов и ионов элементов пробы;

4) разложение возбужденного излучения в спектр:

5) регистрация спектра;

6) идентификация спектральных линий – с целью установления элементного состава пробы (качественный анализ);

7) измерение интенсивности аналитических линий элементов пробы, подлежащих количественному определению;

8) нахождение количественного содержания элементов с помощью установленных предварительно градуировочных зависимостей.

Как правило, первые три процесса (испарение, атомизация и возбуждение) реализуются в упомянутых выше горячих источника света, называемых обычно источниками возбуждения спектров (ИВС). В качестве ИВС используют различные электрические разряды (дуговые, искровые, тлеющие, высокочастотные и сверхвысокочастотные плазменные и др.), пламя горючих газов, а также чисто термические — высокотемпературные и комбинированные ИВС.

Разложение в спектр оптического излучения, возбужденного в источнике света, производится с помощью оптических спектральных приборов. Это спектрографы, монохроматоры, многоканальные спектрометры с различными диспергирующими элементами — призмами из оптически прозрачного материала. разного типа дифракционными решетками и др. Регистрация спектра в спектрографах осуществляется фотографическим путем на фотопластинках или фотопленках. В фотоэлектрических спектральных приборах, в том числе в многоканальных спектрометрах, спектры регистрируются с помощью ФЭУ, фотодиодов, диодных линеек и т.п. Современные быстродейсвтующие многоканальные спектрометры, оснащенные ЭВМ, обеспечивают автоматизацию всех аналитических операций, включая последовательную подачу серии проб и стандартных образцов (СО) в ИВС, возбуждение их спектров, регистрацию аналитических сигналов, вычисление и выдачу результатов количественных определений элементов. Современные спектральные приборы, применяемые в АЭСА будут описаны далее.

Как качественный, так и количественный анализ проводят по так называемым аналитическим линиям, являющимися в случае определения примесных элементов наиболее интенсивными в спектре излучения атомов и ионов данного элемента. Выбор этих линий ограничен элементным составом пробы, спектрами излучения газовой среды, в которой происходит возбуждение пробы и материала вспомогательных электродов, а также характеристиками спектральных приборов (дисперсия, разрешающей способностью, светосилой, диапазоном длин волн) и приемником излучения. Для качественного анализа необходимо однозначно установить наличие в спектре пробы аналитических линий искомых элементов, либо, идентифицировав присутствующие в спектре линии, определить ее элементный состав. Нахождение аналитический линий искомых элементов, а также идентификация принадлежности присутствующих в спектре неизвестных линий к тому или другому элементу производятся обычно с помощью таблиц  и атласов спектральных линий элементов с использованием вспомогательных спектров сравнения (обычно спектра железа).

Количественное определение элементов методами АЭСА, как упоминалось выше, основывается на зависимости интенсивности аналитических линий элемента от его абсолютного содержания или концентрации в анализируемой пробе. Обычно эта зависимость в общем виде описывается эмпирической формулой Ломакина-Шайбе.

Практически конкретный вид зависимости и соответствующих градуировочных графиков устанавливают с помощью стандартных образцов (СО), матричный состав которых идентичен или близок к таковому в анализируемых пробах и, определяемые элементы в СО в известных количествах, перекрывающих весь подлежащий определению интервал содержаний в анализируемых пробах. СО бывают различных категорий: государственный стандартный образец (ГСО), отраслевой стандартный образец (ОСО), стандартный образец предприятия (СОП).

На нашем сайте вы можете более подробно ознакомиться с оптико-эмиссионными спектрометрами и системами пробоподготовки компании CSAN.