Принцип работы атомно-эмиссионного спектрометра

Принципиальная схема атомно-эмиссионного спектрометра представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема строения атомно-эмиссионного спектрометра

Основными узлами прибора являются:

• штатив, в который устанавливается анализируемая проба с источником возбуждения спектра – устройством, которое заставляет атомы пробы излучать свет;
• дисперсионное устройство, состоящее из дифракционных решеток, призм, фильтров или интерферометров;
• приемники излучения (например, фотоэлектронные умножители – ФЭУ) с системой регистрации, которые преобразуют свет в электрический сигнал, регистрируют его и передают в компьютер;
• компьютер, вычисляющий концентрации анализируемых элементов и управляющий всеми узлами прибора.

Источники возбуждения спектра, которые иначе называются атомизаторами, переводят пробу в парообразную фазу, одновременно возбуждая атомы. Как правило, эти функции совмещены в одном устройстве, и только изредка применяют два – одно для получения газовой фазы; другое – для возбуждения. Зачастую к источнику возбуждения относят и устройство для ввода пробы, которая может быть внесена в виде порошка или раствора, который подается с помощью распылителя.

К источникам возбуждения применяется ряд требований: обеспечивая необходимую яркость спектра по сравнению с фоном, они должны быть достаточно стабильными. В современных приборах наибольшее применение нашли пламя, электрическая дуга или искра.

Рисунок 2. Пламя как источник возбуждения

Пламенный источник пламени позволяет определить более 40 элементов (щелочноземельные и щелочные металлы, магний, медь, марганец, таллий).

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд, происходящий при силе тока в 5-7 А и напряжении 500-600 В, который поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии. Температура дуги при этом достигает 6000⁰С, однако, может быть существенно понижена при добавлении в зону разряда элемента с потенциалом возбуждения меньшим, чем у основного элемента пробы.

Такой элемент называется спектроскопическим буфером и, как правило, представляет собой соль натрия или калия. Его применение позволяет установить температуру плазмы, не зависящую от состава анализируемой пробы.

В дуге можно получить спектры практически всех элементов. Несколько ограничивает её применение чрезмерно яркие спектры, значительно увеличивающие фон, а также значительное разрушение анализируемого образца. Также ограничивает возможность анализа недостаточная воспроизводимость условий. Этот недостаток нивелируется путем увеличения напряжения.

Горелка с индуктивно-связанной плазмой – это камера с двумя графитовыми электродами – катодом и анодом – между которыми зажигается дуга (сила тока при этом составляет около 30 А), а по расположенной по касательной к стенке трубке подается поток инертного газа под давлением 150-200 кПа. Газ выходит через отверстие, расположенное снаружи.

Рисунок 3. Горелка с индуктивно-связанной плазмой (1 – анод, 2 – инертный газ, 3 – катод)

Вместе с газом из отверстия выбрасывается сжатая плазма в виде струи длиной 10-15 см, светящейся над поверхностью анода. Температура плазмы при этом достигает значений более 10000⁰С. Сочетание высокой температуры и интенсивности свечения делают горелку с индуктивно-связанной плазмой весьма перспективной для анализа целого ряда веществ.

Искра как источник возбуждения генерируется специальным искровым генератором. При горении искры температура достигает 10000, а при необходимости 12000⁰С и выше. К основным достоинствам искры можно отнести большая стабильность условий разряда, а, следовательно, и условий возбуждения.

Дисперсионное устройство. Для извлечения информации о свойствах анализируемого вещества необходимо диспергировать спектр или выделить узкий спектральный диапазон, соответствующий аналитической линии определяемого элемента. Для этой цели используются светофильтры, монохроматоры или полихроматоры.

Рисунок 4. Абсорбционные светофильтры

Работа интерференционных светофильтров (рис. 5) основана на явлении интерфереренции. Для изготовления таких светофильтров на прозрачную пластинку наносится пленка из отражающего металла (например, серебра), затем – очень тонкий слой прозрачного материала (фторида магния) и снова – слой серебра.

Рисунок 5. Интерференционный фильтр

Примерно половина падающего света отражается слоями серебра, но часть его при каждом отражении выходит наружу. Для выходящих лучей расстояние между серебряными пленками должно быть кратным половине длины волны, а потоки излучения с другими длинами волн интерферируют в слое фторида магния, и их энергия практически не выходит наружу.

Детектором называется устройство, преобразующее энергию излучения в электрическую. В случае атомно-эмиссионной спектрометрии могут использоваться два способа регистрации спектров: фотоэлектрический и фотохимический (фотографический).

Для массовых полуколичественных анализов используют приборы с визуальной регистрацией спектров (стилоскопы). Детекторами для фотоэлектрической регистрации служат фотоэлектрические преобразователи – устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. При этом величина электрического сигнала пропорциональна интенсивности светового потока, попадающего в детектор.

(Макиева М.С., Морозов Ю.А., Морозова Е.В., Морозов В.А. Оптические методы анализа лекарственных средств, ИПЦ Сев. Осет. гос. ун-т им. К. Л. Хетагурова)