Реферат на тему «Атомно-флуоресцентная спектроскопия»

Содержание

1. Введение
2. Понятие и методы атомной спектроскопии
3. Метод атомно-флуоресцентной спектроскопии
4. Заключение
5. Список литературы

Введение

Методы атомной спектроскопии — используются для массовых, быстрых, селективных и достаточно точных определений малых содержаний элементов.

Для одновременного определения нескольких элементов, а также качественного анализа наилучшими являются методы атомно-эмиссионной и рентгенофлуоресцентной спектроскопии.

Использование различных источников атомизации позволяет определять методом атомно-эмиссионной спектроскопии как основные, так и примесные компоненты, анализировать растворы и твёрдые образцы. Важнейшим достоинством рентгенофлуоресцентной спектроскопии является то, что это неразрушающий метод анализа, что очень важно, например, при анализе произведений искусства, археологических объектов и т.д. Методы рентгеноэмиссионной, фото- и оже-электронной спектроскопии — используются для локального анализа и анализа поверхности твердых тел.

Широкое применение также нашел метод атомно-абсорбционной спектроскопии. Этим методом можно определять около 6 — 70 элементов, главным образом металлов, при очень малых их концентрациях. Однако атомно-абсорбционную спектроскопию целесообразно применять лишь для одноэлементных анализов. От других физико-химических методов ионометрия (прямая потенциометрия) отличается простотой методик и дешевизной измерительных приборов. Современные портативные ионометры позволяют определять разнообразные ионы и растворенные газы не только в лаборатории, но и в полевых условиях.

Сферы применения методов очень многообразны. Это анализ объектов окружающей среды, продуктов питания, лекарственных препаратов, продукции металлургической, строительной, стекольной промышленности, геологических образцов. В том числе атомную спектроскопию применяют в полевых условиях (с использованием портативных рентгенофлуоресцентных спектрометров).

Цель работы – рассмотреть более подробно метод атомно-флуоресцентной спектроскопии.

Задачи работы:

— изучить понятие и методы атомной спектроскопии;

— охарактеризовать метод атомно-флуоресцентной спектроскопии и его применение.

Понятие и методы атомной спектроскопии

Атомная спектроскопия — это метод определения элементного состава вещества по его электромагнитному или изотопному спектру. Существуют разные аналитические методы, и выбор наиболее подходящего метода является ключом к получению правильных, надежных и объективных результатов.

Для правильного выбора метода требуется понимание основных принципов каждого метода, его возможностей и ограничений, а также знание требований, предъявляемых лабораторией: необходимая чувствительность определений элементов, рабочий диапазон определяемых концентраций элементов, количество анализируемых образцов и качество получаемых данных.

Механизмы возбуждения и возвращение в основное состояние в атомной абсорбции, атомной эмиссии и флуоресценции схематически показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 — Механизмы возбуждения атомов

Классификация основных методов атомной спектроскопии приведена в табл. 1. [2]

Таблица 1 — Классификация основных методов атомной спектроскопии

Методы атомной спектроскопии основаны на переходах валентных (рис. 2, a-в) или внутренних (рис. 2, г-ж) электронов атомов из одного состояния в другое.

Рисунок 2 — Схемы процессов, лежащих в основе методов спектроскопии:  а атомно-эмиссионной; б-атомно-абсорбционной; в — атомно-флуоресцентной; г — рентгеновской фотоэлектронной; д — оже-электронной; е -peнтгeнофлуоресцентного анализа; ж -рентгеноэмиссионного анализа. Уровни энергии электронов: а-б -валентные; г-ж -внутренние испусканием атомом одного или нескольких электронов (ионизацией)

Поэтому в методах атомной спектроскопии возможна регистрация как электромагнитных, так и электронных спектров — распределений, соответственно, фотонов и испускаемых электронов по их энергиям [4].

Одна из особенностей атомных спектров — их линейчатая структура. Положения линий индивидуальны для каждого элемента и могут быть использованы для качественного анализа. На зависимости интенсивности спектральной линии основан количественный анализ. Относительно мала вероятность наложения линий различных элементов. Поэтому многие методы атомной спектроскопии можно использовать для обнаружения и определения одновременно нескольких элементов.

В зависимости от используемого диапазона длин волн электромагнитного излучения и природы соответствующих электронных переходов методы атомной спектроскопии делятся на оптические и рентгеновские.

В методах оптической спектроскопии используют излучение видимой и УФ-областей оптического диапазона. Оно соответствует изменению энергии валентных электронов. Для получения оптических атомных спектров необходима предварительная атомизация пробы — перевод ее в газообразное атомарное состояние. Для этой цели служат атомизаторы — источники высокой температуры различной конструкции. Взаимодействие вещества с излучением оптического диапазона, как правило, не сопровождается ионизацией атомов. Поэтому для оптического диапазона характерны только методы спектроскопии электромагнитного излучения. К ним относятся методы атомно-эмиссионной (АЭС), атомно-флуоресцентной (АФС), атомно-абсорбционной (ААС) спектроскопии.

В методах рентгеновской спектроскопии используют излучение рентгеновского диапазона, соответствующее изменению энергии внутренних электронов. Структуры энергетических уровней внутренних электронов в атомарном и молекулярном состояниях очень близки. Поэтому в рентгеновских методах атомизация пробы не требуется.

Однако взаимодействие вещества с излучением рентгеновского диапазона всегда сопровождается ионизацией атомов.

Такая ионизация происходит под действием внешнего источника рентгеновского излучения или пучка высокоэнергетических электронов. Электрон, испускаемый атомом вследствие ионизации, называют фотоэлектроном или, соответственно, вторичным электроном. В результате внутриатомных электронных переходов возможна эмиссия еще одного электрона, называемого оже-электроном. При использовании рентгеновского излучения возможна регистрация как электромагнитных, так и электронных спектров.

К рентгеновским методам спектроскопии электромагнитного излучения относят рентгеноэмиссионный анализ (РЭА), рентгенофлуоресцентный (РФА) и рентгеноабсорбционный (РАА) анализ, а к методам электронной спектроскопии рентгеновскую фотоэлектронную (РФЭС) и оже-электронную (ОЭС) спектроскопию [6].

В зависимости от физической природы процесса взаимодействия излучения с веществом методы атомной спектроскопии электромагнитного излучения (как оптического, так и рентгеновского диапазона) делят на эмиссионные и абсорбционные. В оптических эмиссионных методах для получения спектра испускания необходим предварительный перевод атомов в возбужденное состояние. Для этой цели служат устройства, называемые источниками возбуждения, источники высокой температуры (для оптических методов), потоки высокоэнергетических частиц (для рентгеновских методов), электромагнитное излучение. Эмиссионные оптические методы, в которых возбуждение атомов происходит под действием высокой температуры, называют методами атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС). В этих методах атомизатор — источник возбуждения. Если источником возбуждения служит электромагнитное излучение, методы называют флуоресцентными — атомно-флуоресцентная спектроскопия (АФС), рентгенофлуоресцентный анализ (РФА).

В абсорбционных методах возбуждение атомов не требуется, источники возбуждения отсутствуют.

Метод атомно-флуоресцентной спектроскопии

Атомно-флуоресцентный анализ (атомно-флуоресцентная спектрометрия), метод количеств, элементного анализа по атомным спектрам флуоресценции. Пробу анализируемого вещества превращают в атомный пар и облучают для возбуждения флуоресценции таким излучением, которое поглощают атомы только определяемого элемента (длина волны излучения соответствует энергии электронных переходов этих атомов). Часть возбужденных атомов излучает свет — аналитический сигнал, регистрируемый спектрофотометрами. Обычно используют резонансную флуоресценцию, при которой длины волн поглощенного и излученного света одинаковы.

Для атомизации растворов применяют пламена, индуктивно связанную плазму или электротермические атомизаторы (нагреваемые электрическим током графитовые трубки, нити, стержни, тигли). Атомизацию порошкообразных проб осуществляют в графитовых тиглях или капсулах, которые иногда вносят в пламя для дополнит. нагрева паров пробы [2].

Химический состав пламени выбирают так, чтобы выход флуоресценции (т. е. доля поглощенной энергии, излучаемой в виде флуоресценции) и степень атомизации были максимальны. С целью увеличения выхода электротермические атомизаторы обычно помещают в атмосферу аргона.

Для возбуждения флуоресценции используют интенсивные лампы с линейчатым или непрерывным спектром, а также лазеры с перестраиваемой длиной волны.

В основе количественного  анализа лежит соотношение:

где I и I₀-интенсивности соответствующего аналитического сигнала и источника возбуждения,

 -энергетический выход,

-телесный угол сбора флуоресценции,

С-концентрация элемента,

k -коэффициент, характеризующий поглощение света,

=3,14.

С помощью стандартных образцов (не менее трех) строят градуировочный график в координатах lgI — IgC. Обычно графики линейны в области до 2 порядков величины концентрацийопределяемого элемента.

Аналитический сигнал в атомно-флуоресцентном анализе формируется на фоне шумов регистрирующей схемы и рассеянного света. Последний возникает в результате рассеяния излучения источника возбуждения на оптически неоднородностях паров и на частицах пробы в атомизаторах. При больших интенсивностях рассеянного света выделение из шума сигнала резонансной флуоресценции затруднено, поскольку длина волны аналитической линии совпадает с длиной волны рассеянного света. Для подавления влияния шума макрокомпоненты пробы отделяют и анализируют концентрат микроэлементов.

Применяют также нерезонансную флуоресценцию, при которой длины волн возбуждающего и рассеянного света не совпадают с длиной волны флуоресценции. В этом случае эффективное возбуждение достигается только с использованием лазеров.

Для регистрации спектра флуоресценции применяют светосильные спектрофотометры с большим углом . Измеряют интенсивность излучения, распространяющегося под прямым углом к возбуждающему излучению (в этом направлении интенсивность рассеянного света обычно минимальна).

Методом атомно-флуоресцентного анализа можно определять около 65 элементов; пределы обнаружения достигают 10^-6*10^-8% (в порошках) и 10^-3нг/мл (в растворах) [3]. Высокая селективность метода, обусловленная очень узкими линиями атомной флуоресценции, дает возможность определять одновременно несколько элементов. Для этого вокруг атомизатора устанавливают соответствующее число светосильных спектрофотометров. А.-ф. а. легко автоматизируется, стоимость аппаратуры относительно невысока.

Метод применяется для анализа пород (земных и лунных), почв, природных и сточных вод, сталей, сплавов, нефтей, пищевых продуктов, биологических объектов (крови, мочи), различных химических соединений, для дистанционного определения элементов в верхних слоях атмосферы.

В атомно-флуоресцентной спектроскопии возбуждение ионов происходит под воздействием внешнего источника излучения. Но поскольку, необходимым условием для возникновения атомно-флуоресцентного излучения является предварительное поглощение атомами кванта света подходящей энергии, то метод атомно-флуоресцентной спектроскопии, будучи по сути эмиссионным, имеет и много общего с атомно-абсорбционной спектроскопией.

Спектральный анализ давно применяется в химии и материаловедении для определения следовых количеств элементов. Методы спектрального анализа стандартизованы, информация о характерных линиях большинства элементов и многих молекул хранится в компьютерных базах данных, что в значительной мере ускоряет анализ и идентификацию химических веществ.[1]

Чрезвычайно эффективным методом контроля за состоянием воздушной среды является лазерная спектроскопия. Она позволяет измерять размер и концентрацию находящихся в воздухе частиц, определять их форму, а также получать данные о температуре и давлении паров воды в верхних слоях атмосферы. Такие исследования проводятся методом лидара (лазерной локации ИК-диапазона).

Заключение

Так, спектроскопия открыла широкие возможности для получения информации фундаментального характера во многих областях науки. [5] Так, в астрономии собранные с помощью телескопов спектральные данные об атомах, ионах, радикалах и молекулах, находящихся в звездном веществе и межзвездном пространстве, способствовали углублению наших знаний о таких сложных космологических процессах, как образование звезд и эволюция Вселенной на ранней стадии развития.

До сих пор для определения структуры биологических объектов широко применяется спектроскопический метод измерения оптической активности веществ. По-прежнему при изучении биологических молекул измеряются их спектры поглощения и флуоресценция. Флуоресцирующие при лазерном возбуждении красители используются для определения водородного показателя и ионных сил в клетках, а также для исследования специфических участков в белках. С помощью резонансного комбинационного рассеяния зондируется структура клеток и определяется конформация молекул белков и ДНК.

Важную роль сыграла спектроскопия при изучении фотосинтеза и биохимии зрения. Все большее применение находит лазерная спектроскопия и в медицине. Диодные лазеры используются в оксиметре — приборе, определяющем насыщенность крови кислородом по поглощению излучения двух разных частот ближней ИК-области спектра. Изучается возможность использования лазерно-индуцируемой флуоресценции и комбинационного рассеяния для диагностики рака, болезней артерий и ряда других заболеваний.

Список литературы

1. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа / под ред. О.М. Петрухина. – М.: Химия, 2001. – 496 с.
2. Беляев Ю.И. Методы аналитической химии. 1990.
3. Дорохова Е. Н., Прохорова Т.В. Аналитическая химия. Физико- химические методы анализа. – М.: Высшая школа, 1991. – 256 с.
4. Зайдель А. Н., Атомно-флуоресцентный анализ. Физические основы метода, М., 1980.
5. Зайдель А.Н. Основы спектрального анализа. – М.: Наука, 1986. – 326 с.
6. Золотов Ю.А. Основы аналитической химии. Том 2. / Ю.А. Золотов, Е.Н. Дорохова, В.И. Фадеева и др./Под ред. Ю.А. Золотов — М.: Высшая школа — 2004 — 503 стр.