Атомно-абсорбционный спектрофотометр

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский  технический университет им. А. Н. Туполева

Кафедра общей химии и  экологии

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине:

Методы и проборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг

на тему:

 

«Атомно-абсорбционный спектрофотометр»

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка

группы 3412

Тазетдинова Айгуль.

Научный руководитель:

ст. преподаватель, к.х.н

Чижевский А.А.

 

 

 

 

 

 

 

Казань 2012

 

Содержание:

 

1.Введение……………………………………………………………………	3
1.1. ……………………..	4
1.2. ……………………	6
1.3. ……………………………...	8
2. …………...	11
3. ………………………………………….	15
4. …………………………	19
5. ………………………………………………...	22
Выводы…………………………………………………………………….	25
Список использованной литературы……………………...………………..	26

 

 

Введение

Актуальность. Данная курсовая работа посвящена физическому методу исследования и контроля состава вещества - атомно-абсорбционной спектроскопии, которая за последние годы находит все более широкое применение. Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) — сравнительно молодой аналитический метод. Она впервые была описана Уолшем в 1955 г., однако, уже в настоящее время ААС широко применяется в самых различных отраслях хозяйства, главным образом для количественного определения металлов. Атомно-абсорбционная спектрометрия — высокочувствительный аналитический метод, основанный на поглощении атомами в основном состоянии излучения, испускаемого первичным источником.

Цель курсовой работы: изучение современного состояния физических методов анализа объектов окружающей среды на примере атомно-абсорбционной спектроскопии.

 

 

Глава 1. Аналитический  обзор теоретических основ атомно-абсорбционной спектороскопии

ААС используется для количественного  определения соединений металлов. Метод  основан на поглощении излучения  свободными атомами, обычно в основном состоянии. При выборе длины волны  для данного элемента, которая  соответствует оптическому переходу атомов из основного состояния в  возбужденное, поглощение излучения  приводит к уменьшению заселенности основного состояния. Величина поглощения связана с концентрацией атомов в основном состоянии и, следовательно, с концентрацией элемента. Измеряя  количество поглощенного излучения, можно  провести количественное определение  элемента.

Следует отметить, что атомно-абсорбционную  спектрометрию используют только для  количественного анализа. Количественный анализ в ААС возможен, если поглощение излучения связано с концентрацией  определяемого элемента. Когда источник первичного излучения испускает  линию с длиной волны, подобной линии  элемента, и шириной, меньшей, чем  ширина линии элемента, поглощение падающего света можно вычислить. Степень пропускания Т есть отношение интенсивности прошедшего света I к интенсивности падающего света I0 Степень поглощения а определяют как (формула 1):

 

а = 1-.Т (1)

 

Исходя из закона Бера, можно  записать (формула 2):

 

а = 1- e k* l (2)

 

где k-коэффициент поглощения, а l-длина оптического пути поглощения. В случае, когда поглощение имеет  место при переходе из основного  состояния 0 в возбужденное состояние  т, коэффициент k определяется как (формула 3):

 

(3)

 

где и -статистические веса возбужденного и основного состояний соответственно,

- "эффективная ширина  аналитической линии, т. е. ширина, исправленная на коэффициент.

 Заселенность основного  состояния  практически равна общей заселенности. Оптическую плотность Апогл определяют как (формула 4):

 

(4)

 

Значения оптической плотности 0,0044, 0,301, 1 и 2 соответствуют 1%, 50%, 90% и 99% поглощения.

Можно легко вывести, что  оптическая плотность равна (формула 5):

 

(5)

 

Оптическая плотность  пропорциональна концентрации элемента.

Использование логарифма  степени пропускания дает возможность  получить линейную зависимость от концентрации определяемого элемента. Эта зависимость  практически линейна в ограниченном диапазоне концентраций из-за изменения  длины поглощающего пути, вариаций ширины линии, распределения атомов в источнике и т. д. Линеаризация может быть получена с помощью  программного обеспечения.

 

1.1. Устройство атомно-абсорбционного спектрометра

 

Атомно-абсорбционный спектрометр  состоит из источника первичного излучения, который дает поглощаемое  излучение, источника свободных  атомов с соответствующей системой вводы пробы, оптической диспергирующей системы, детектора и электроники для сбора, обработки и редактирования данных. Наличие свободных атомов должно быть обеспечено на пути между источником первичного излучения и детектором.

 

 

                          

Рис.1 Принципиальная схема атомно-абсорбционного спектрометра

 

1 — первичный источник  излучения; 2 — атомизатор; 3 — проба; 4 ~ горючий газ и окислитель; 5 — оптическая диспергирующая система; 6 — детектор; 7—сбор и обработка данных; 8 — редактирование данных.

 

Вот как выглядят современные  атомно-абсорбционные спектрометры:

 

Рис.2 Исследовательский  спектрометр AA 280

 

 

Прибор имеет фиксированные  гнезда для 8-ми ламп и монохроматор с фокусным расстоянием 33 см, выпускается  в вариантах 280FS (Fast Sequential со встроенным блоком управления приставками SIPS) и 280Z (специализированный варант с графитовым атомизатором GTA-120 и источником питания для ультраламп - 4 из 8-ми позиций). Графитовый атомизатор GTA-120 имеет дополнительный газовый канал для независимого регулирования продувки внешней стороны и внутренней части графитовой кюветы, что существенно удлиняет срок службы кювет. Атомизатор может работать в режиме переменного магнитного поля, и оснащен несоосной камерой для визуального наблюдения процессов, проходящих в кювете при сушке, озолении и атомизации проб в режиме on-line.

Сочетание режима FS (быстрый  последовательный анализ), большое  количества позиций для ламп, в  т.ч. и многоэлементных, возможность  переключения режимов абсорбции  и эмиссии, наличие приставок SIPS и скоростных автосэмплеров SPS-2 и SPS-3, реализация принципов предварительного считывания (preemptive sampling, окончания интегрирования во время перемещения пробоотборника к следующему образцу) и подвижной станции промывки (travelling rinse, размещение камеры с промывающим потоком непосредственно на пробоотборнике) обеспечивают высочайшие параметры производительности прибора, сравнимых, а иногда и превышающих пропускную способность эмиссионных спектромтеров ИСП.

 

                              

Рис.3 Спектрометры AA 50/55

 

Отличаются невысокой  стоимостью, наличием встроенной системы  обработки данных с интерфейсами на многих языках, включая русский, широко используются в промышленности и при проведении экологического мониторинга. Это - 2-х ламповые модели со встроенной системой управления/обработки  данных, которые также могут управляться  с внешнего компьютера с программным  обеспечением на базе Windows 95/98.

Для проведения автоматизированного  анализа большого количества проб оптимально подходят приборы с внешней системой обработки данных, позволяющие анализировать  большие серии проб, а также  разводить образцы, делать стандартные  добавки в пламени и калибровку из единственного стандартного раствора в полностью автоматическом режиме.

Для лабораторий с большим  потоком проб, требующих определения  многих элементов,подходит такой вид атомно-абсорбционных спектрометров, позволяющий проводить многоэлементный анализ со скоростью, превышающей скорость анализа на последовательном ИСП-спектрометре. При работе с автосэмплером SPS время на анализ 10 элементов (Na, Ca, Cr, Cu, Mg, Fe, Co, Ni, Pb) в 20 пробах (режим PROMT, считывание 5 сек, заданная точность анализа 2%, время задержки 10 сек) сокращается с 1 часа 36 мин до 46 мин.

 

1.2 Оптические переходы, используемые в ААС

атом абсорбционный  спектрометрия фармацевтический

Оптические переходы, используемые в ААС, обычно осуществляются между  основным состоянием (или состоянием близким к основному) и первым возбужденным уровнем (резонансные  уровни). Заселенность различных уровней  описывается законом Больцмана, который гласит, что заселенность пропорциональна экспоненте (-Е), где Е — энергия возбуждения рассматриваемого уровня. Следствием этого является быстрое убывание заселенности при увеличении Е. Другими словами, когда температура источника свободных атомов меньше 5000 К, большинство атомов находится в основном состоянии.

Даже при высоких температурах из-за экспоненциальной заселенности возбужденных уровней большинство  атомов остается в основном состоянии.

Так как поглощение излучения  пропорционально числу атомов в  основном состоянии, становится понятным, почему ААС является эффективным  методом. Кроме того, спектры поглощения намного более просты, чем спектры  испускания. В противоположность  атомно-эмиссионной спектрометрии  вероятность спектральных помех  из-за совпадения линий мала.

Так, например, в случае алюминия наиболее часто используют линии  Al 309,28 нм, Al 308,22 им, т. е. переход между подуровнями Зр и 3d, а также Al 396,15 нм и Al 394,40 нм, т. е. переход между подуровнями Зр и 4s (рисунок 4):

Рис.4 Наиболее вероятные переходы электронов атомов Al

 

Атомы, возбужденные при  поглощении излучения, вновь испускают  эмиссионные линии не только той  же длины волны, что и поглощенное  излучение, но и других длин волн. Такая  излучательная дезактивация носит название атомной флуоресценции. Когда наблюдают ту же длину волны, процесс называют резонансной флуоресценцией. Процесс флуоресценции фактически представляет собой комбинацию процессов поглощения и испускания. Флуоресцентные спектры обычно очень просты и накладываются на более сложные эмиссионные спектры, при этом флуоресцентные линии более интенсивны, чем эквивалентные эмиссионные линии.

Когда используют интенсивный  источник первичного излучения (например, лазер), атомно-флуоресцентная спектрометрия (АФС) может быть использована как  аналитический метод. В этом случае источник первичного излучения располагают  под углом к остальной оптической системе, чтобы детектор получал  только флуоресцентный сигнал. Действительно, лазерно-индуцированная атомно-флуоресцентная спектрометрия является, по-видимому, одним из наиболее чувствительных аналитических  методов. Однако, лазерно-индуцированная АФС не нашла воплощения в серийных приборах, что связано с трудностями использования лазеров в УФ-области спектра.

 

1.3 Источники первичного излучения

 

Наиболее часто в качестве источников первичного излучения используют лампы с полым катодом (ЛПК) (рисунок 5) и безэлектродные разрядные лампы (БРЛ).

 

                                       

                               

Рис.5 Устройство лампы с полым катодом

 

 

Как это выглядит (рисунок 6):

 

 

Рис.6 Лампа с полым катодом

 

Оба этих источника относятся  к числу разрядов низкого давления. Лампа с полым катодом состоит  из полого катода, изготовленного из высокочистого  металла, спектр которого необходимо получить, с внутренним диаметром 2-5 мм. В некоторых  случаях для изготовления многоэлементных  ЛПК катод может быть выполнен из нескольких металлов. Однако такие  лампы не получили широкого распространения  из-за компромиссных условий, которые  приводят к потере чувствительности. Катод и анод размещены в стеклянном цилиндре. Высокое напряжение и ток до 30 мА используют для создания разряда, который сосредоточен внутри полого катода. Величина тока представляет компромисс между интенсивностью и уширением линии вследствие самопоглощения. Буферный газ — Аг или Ne под давлением 1-5 ммJ рт.ст. Неон предпочтительнее для элементов с высоким потенциалом ионизации. В результате процессов распыления и возбуждения атомов ионами буферного газа испускаются узкие интенсивные линии. Для пропускания света используют прозрачное кварцевое окно. ЛПК обычно устанавливают на ручную или автоматическую турель и перед работой прогревают. Для многоэлементных систем ААС используют смеситель лучей, чтобы объединить выходное излучение нескольких ЛПК. Успех метода ААС с очевидностью зависит от наличия ЛПК.

В случае летучих элементов, таких, как As или Se, испускаемая ЛПК энергия может быть довольно мала. Альтернативой является использование БРЛ, состоящих из запаянной кварцевой трубки, которая содержит определяемый элемент или его соль с аргоном в качестве буферного газа.