Атомно эмиссионный анализ
Атомно-эмиссионные спектрометры, которым посвящен настоящий сайт, реализуют в своей работе принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа (АЭСА). Эти приборы являются наиболее распространенными аналитическими приборами и в мире, и в нашей стране. Они предназначены для анализа (чаще всего элементного анализа) состава самых различных веществ в различных агрегатных состояниях.
Часто, особенно за рубежом, эти спектрометры называют оптико-эмиссионными спектрометрами (optical-emission spectrometers или OE-spectrometers). Такое название применяется, чтобы подчеркнуть отличие от рентгено-флуоресцентных спектрометров (X-ray fluorescence spectrometers или XRF Spectrometers). Принцип действия последних также основан на регистрации эмиссионного спектра, но другого диапазона длин волн — рентгеновского, а не оптического. Везде в дальнейшем при употреблении общего названия «АЭ-спектрометр» всегда имеется ввиду именно оптико-эмиссионный спектрометр.
Также такие приборы иногда называют просто эмиссионными спектрометрами. Кроме того, широко используют названия, в которых явным образом обозначают тип применяемого источника возбуждения спектров.
- Например, искровой или дуговой спектрометр для атомно-эмиссионного спектрометра с искровым или дуговым источником возбуждения спектров, соответственно.
- Или ИСП-спектрометр (ICP Spectrometer или ICP) — это атомно-эмиссионный спектрометр с источником возбуждения спектров в виде т.н. индуктивно-связанной плазмы.
- Для спектрометров с лазерными источниками возбуждения спектров используют названия лазерный или лазерно-искровой спектрометр.
Сущность атомно-эмиссионного спектрального анализа
Иногда спрашивают, относятся ли атомно-эмиссионные спектрометры к приборам для неразрушающего контроля.
Под неразрушающим контролем подразумевается такая процедура контроля свойств и параметров объекта, при которой не нарушается пригодность объекта к дальнейшему использованию и эксплуатации.
С этой точки зрения некоторые типы АЭ-спектрометров относятся к приборам для неразрушающего контроля (например, мобильные искровые спектрометры). Хотя они и оставляют на объекте следы искровой эрозии глубиной несколько микрон и диаметром менее 10 мм, но пригодность объекта к дальнейшему использованию и эксплуатации, как правило, не нарушается.
С другой стороны, например, ИСП-спектрометры в классическом своем варианте применяются для спектрального анализа проб в жидкой фазе. Поэтому спектральный анализ на этих приборах твердых проб требует их предварительного химического растворения, т.е. разрушения. Но если применять для анализа твердых проб ИСП-спектрометры, оснащенные искровым или лазерным аблятором, то такой комбинированный АЭ-спектрометр уже можно снова отнести к приборам для неразрушающего контроля.
Методы и принципы
Атомно-эмиссионный спектральный анализ состава вещества, в свою очередь, основан на двух фундаментальных принципах:
-
спектр, испускаемый предварительно возбужденными атомами и ионами данного химического элемента, строго индивидуален (т.е. характерен только для данного химического элемента);
Рисунки иллюстрируют, насколько сильно отличаются друг от друга спектры различных элементов (в данном примере это алюминий, медь, вольфрам и железо). По оси ординат - интенсивность I в условных единицах. По оси абсцисс - длина волны λ в нанометрах, спектральный диапазон 172-441 нм. Спектры сняты на искровом спектрометре. 
Спектр алюминия.
Образец — алюминиевый деформируемый марки АД31,
содержание Al около 98%
Спектр меди.
Спектр снят со стандартного образца VSM14-4,
содержание Cu около 99,95%
Спектр вольфрамового сплава.
Образец — сплав вольфрама
с содержанием W около 90%
Спектр железа.
Спектр снят со стандартного образца углеродистой низколегированной стали УГ2и,
содержание Fe около 99,5% -
интенсивность линий этого спектра зависит от концентрации этого элемента, определение которой и является целью анализа.
На рисунке представлены спектры четырех стандартных образцов инструментальной стали с разной концентрацией молибдена, наложенные друг на друга для наглядности. Четко видно, что аналитическая линия молибдена имеет разную интенсивность (высоту) на всех спектрах. Причем, чем больше концентрация молибдена, тем выше интенсивность аналитической линии.
Образцы: РГ15 (Mo-5,74%), РГ14 (Mo-2,23%), РГ18 (Mo-1,15%), РГ13 (Mo-0,254%).
Линия Мо-368,410 нм, участок спектра шириной 0,6 нм.
Спектр представляет собой распределение мощности излучения по длинам волн и характеризуется зависимостью интенсивности от длины волны 
.
Для получения эмиссионного спектра атомам анализируемого вещества необходимо придать дополнительную энергию так, чтобы электроны перешли на более высокие орбиты, т.е. перевести атомы в «возбужденное» состояние. (Термин «возбужденное» состояние является устоявшимся в атомно эмиссионном спектральном анализе и далее будет применяться без кавычек).
С этой целью анализируемую пробу вводят в источник возбуждения спектров, где она подвергается абляции (т.е. «вырыванию» с поверхности микрочастиц), нагреву и испарению. Источник возбуждения спектров тем или иным способом формирует насыщенную энергией область пространства с достаточно высокой температурой.
Попавшие в эту высокотемпературную область пространства микрочастицы анализируемой пробы распадаются на атомы. Эти атомы пробы при столкновениях с другими частицами переходят в возбужденное и ионизированное состояния. В таком состоянии атомы и ионы могут находиться очень короткое время (10-8 – 10-7 с). Самопроизвольно возвращаясь в нормальное или промежуточное состояние, они испускают избыточную энергию в виде фотонов, совокупность которых и образует эмиссионный спектр.
Измеряя интенсивность линий спектра атомов (или ионов) того или иного химического элемента, определяют концентрацию этого химического элемента в анализируемой пробе. Читать дальше ›
