Методы спектрального анализа и их применение в экспертных исследованиях

Методы спектрального анализа – методы, заключающиеся в определении химического состава и строения веществ по их спектру. Их делят на две большие группы.

Эмиссионные методы используют спектры поглощения атомов и является одним из наиболее распространенных методов элементарного анализа вещества, основанный на регистрации атомных спектров с помощью специального прибора – спектрографа.

Целью практического эмиссионного анализа является качественное обнаружение элементов в веществе. Пробу изучаемого вещества вводят в источник излучения, где происходит ее испарение, молекулы диссоциируются и происходит возбуждение образовавшихся ионов (атомов). Последние испускают излучение, которое поступает в регистрирующее устройство спектрального прибора.

· При качественном атомном эмиссионном спектральном анализе спектры проб сравнивают со спектрами уже известных элементов, и потом устанавливают элементарный состав анализируемого вещества.

· При количественном анализе определяют количество данного элемента в исходном веществе.

Точность и чувствительность атомного эмиссионного спектрального анализа зависят, прежде всего, от физических характеристик – температуры, концентрации электронов, времени пребывания атомов в зоне возбуждения.

Применение

Эмиссионный анализ совместно с другими используется в методиках, устанавливающие конкретные группы объектов (дробь, стекло, автоэмали т.д.), а также органических объектов и объектов биологического происхождения.

Данный анализ также применяется при исследовании продуктов выстрела, для установления последовательности и дистанции выстрелов, следов выстрела стрелявшего человека на другом лице.

Есть один минус - при применении эмиссионного анализа – вещество, подвергающееся исследованию, уничтожается.

Абсорбционные методы используют спектры поглощения молекул и их частей. Абсорбционный анализ – аналитический метод определения содержащихся в пробе элементов, основанный на поглощении света свободными атомами. Через слой атомных паров пробы, которые мы получаем с помощью атомизатора (оборудование для распыления жидких дымов), пропускают излучение в диапазоне 190-850 нм. В результате атомы переходят в возбужденные энергетические состояния. Самым распространенным способом является атомизация анализируемой пробы в пламени. Этот способ наиболее простой, надежный и недорогой. Метод отличается высокой абсолютной и относительной чувствительностью. Чувствительность большинства элементов лежит в пределах от 0,005 до 10-10 мкг/мл. До разработки беспламенных способов атомизации область применения атомных спектров поглощения ограничивалась анализом растворов. Приемы беспламенной атомизации позволяют анализировать твердые и порошковые пробы очень малых размеров.

Применение

Анализ используется для исследования микроколичеств объектов. Его точность лежит в пределах от сотых до стомиллионных долей микрограмма. Вещество также уничтожается в процессе исследования.

По спектрам поглощения исследуют лаки и краски. При этом устанавливают связующее вещество, а также пигменты и наполнители.

Иногда данным методом исследуются волосы человека, на принадлежность волоса тому или иному человеку; а также наличие в волосах вредных элементов (мышьяка, таллия, ртути).

Абсорбционный метод может быть использован для обнаружения тяжелых элементов в твердых веществах или жидкостях (например, тетраэтилсвинца в бензине).

Также есть еще методы, которые широко используются при проведении спектрального анализа, входящие в состав этих двух групп методов:комбинационные, люминесцентные,рентгеновские, радиоспектроскопические и спектрофотометрический.

Оборудование для проведения анализа

Схема проведения спектрального анализа. В основе спектрального анализа лежит изучение строения света, который излучается или поглощается анализируемым веществом. Методы спектрального анализа делятся на эмиссионные (эмиссия — испускание) и абсорбционные (абсорбция — поглощение).

Рассмотрим сначала схему эмиссионного спектрального анализа (рис. 1, а). Для того чтобы вещество излучало свет, необходимо передать ему дополнительную энергию. Атомы и молекулы анализируемого вещества переходят тогда в возбужденное состояние. Возвращаясь в обычное состояние, они отдают избыточную энергию в виде света. Характер света, излучаемого твердыми телами или жидкостями, обычно очень мало зависит от химического состава и поэтому его нельзя использовать для анализа. Совсем другой характер имеет излучение газов. Оно определяется составом анализируемой пробы. В связи с этим при эмиссионном анализе перед возбуждением вещества его необходимо испарить.

Рис. 1. Принципиальная схема спектрального анализа:
а — эмиссионного; б — абсорбционного;
1 — источник света; 2 — осветительный конденсор; 3 — кювета для анализируемой пробы; 4 — спектральный аппарат; 5 — регистрация спектра; 6 — определение длины волны спектральных линий или полос; 7 — качественный анализ пробы с помощью таблиц и атласов; 8 — определение интенсивности линий или полос;
9 — количественный анализ пробы по градуировочному графику

 

Испарение и возбуждение осуществляют в источниках света, в которые вводится анализируемая проба. В качестве источников света используют высокотемпературное пламя или различные типы электрического разряда в газах: дугу, искру и др. Для получения электрического разряда с нужными характеристиками служат генераторы.

Высокая температура (тысячи и десятки тысяч градусов) в источниках света приводит к распаду молекул большинства веществ на атомы. Поэтому эмиссионные методы служат, как правило, для атомного анализа и только очень редко для молекулярного.

Излучение источника света складывается из излучения атомов всех элементов, присутствующих в пробе. Для анализа необходимо выделить излучение каждого элемента. Это осуществляют с помощью оптических приборов — спектральных аппаратов, в которых световые лучи с разными длинами волн отделяются в пространстве друг от друга. Излучение источника света, разложенное по длинам волн, называется спектром.

Спектральные аппараты устроены таким образом, что световые колебания каждой длины волны, попадающие в прибор, образуют одну линию. Сколько различных волн присутствовало в излучении источника света, столько линий получается в спектральном аппарате.

Атомные спектры элементов состоят из отдельных линий, так как в излучении атомов имеются только некоторые определенные волны (рис. 2, а). В излучении раскаленных твердых или жидких тел присутствует свет любой длины волны. Отдельные линии в спектральном аппарате сливаются друг с другом. Такое излучение имеет сплошной спектр (рис. 2, в). В отличие от линейчатого спектра атомов, молекулярные спектры испускания веществ, которые не распались при высокой температуре, являются полосатыми (рис. 2, б). Каждая полоса образована большим числом близко расположенных линий. На этом рисунке, как и на других фотографиях спектров в этой книге, приведены негативы, которыми обычно пользуются при спектральном анализе. Чем больше интенсивность линии в спектре, тем темнее соответствующее место на негативе.

Рис 2. Типы спектров:
а — линейчатый; б — полосатый; видны отдельные линии, составляющие полосу;
в — сплошной.
Наиболее темным местам в спектре соответствует наибольшая интенсивность света (негативное изображение)

 

Свет, разложенный в спектральном аппарате в спектр, можно рассматривать визуально или зарегистрировать с помощью фотографии или фотоэлектрических приборов. Конструкция спектрального аппарата зависит от метода регистрации спектра. Для визуального наблюдения спектров служат спектроскопы — стилоскопы и стилометры. Фотографирование спектров осуществляют с помощью спектрографов. Спектральные аппараты — монохроматоры — позволяют выделять свет одной длины волны, после чего он может быть зарегистрирован с помощью фотоэлемента или другого электрического приемника света.

При качественном анализе необходимо определить, к излучению какого элемента относится та или иная линия в спектре анализируемой пробы. Для этого нужно найти длину волны линии по ее положению в спектре, а затем с помощью таблиц определить ее принадлежность тому или иному элементу. Для рассмотрения увеличенного изображения спектра на фотографической пластинке и определения длины волны служат измерительные микроскопы, спектропроекторы и другие вспомогательные приборы.

Интенсивность спектральных линий растет с увеличением концентрации элемента в пробе. Поэтому для проведения количественного анализа нужно найти интенсивность одной спектральной линии определяемого элемента. Интенсивность линии измеряют или по ее почернению на фотографии спектра (спектрограмме) или сразу по величине светового потока, выходящего из спектрального аппарата. Величину почернения линий на спектрограмме определяют на микрофотометрах.

Связь между интенсивностью линии в спектре и концентрацией элемента в анализируемой пробе устанавливают с помощью эталонов — образцов, подобных анализируемым, но с точно известным химическим составом. Эту связь обычно выражают в виде градуировочных графиков.

Схема проведения абсорбционного спектрального анализа (рис. 1, б) отличается от уже рассмотренной схемы только в своей начальной части. Источником света служит нагретое твердое тело или другой источник сплошного излучения, т. е. излучения с любой длиной волны. Анализируемую пробу помещают между источником света и спектральным аппаратом. Спектр вещества составляют те длины волн, интенсивность которых уменьшилась при прохождении сплошного света через это вещество (рис. 3.) Спектр поглощения веществ удобно изображать графически, откладывая по оси абсцисс длину волны, а по оси ординат — величину поглощения света веществом.

Рис. 3. Изображение спектров поглощения:
а — фотографическое; б — графическое;
I — спектр источника сплошного света; II — спектр того же излучения после прохождения через анализируемую пробу

 

Спектры поглощения получают с помощью спектральных аппаратов — спектрофотометров, в состав которых входят источник сплошного света, монохроматор и регистрирующее устройство.

В остальном схемы проведения абсорбционного и эмиссионного анализа совпадают.

Таким образом, спектральный анализ по спектрам испускания или поглощения включает:

1. Получение спектра анализируемой пробы.

2. Определение длины волны спектральных линий или полос. После этого с помощью таблиц или атласов устанавливают их принадлежность к определенным элементам или соединениям, т. е. находят качественный состав пробы.

3. Измерение интенсивности спектральных линий или полос, принадлежащих определенным элементам или соединениям, что позволяет найти их концентрацию в анализируемой пробе по предварительно построенным с помощью эталонов градуировочным графикам, т. е. найти количественный состав пробы.

 

 

Заключение

Спектральный анализ на сегодняшний день нашел применение практически во всех наиболее существенных сферах человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в криминалистике и других отраслях. Он является важнейшим аспектом развития научного прогресса, а также уровня и качества жизни человека.

В заключении хочу подвести итог всему сказанному

1.Спектральный метод анализа является одним из самых широко используемых, точных и универсальных способов определения состава веществ.

2.Стоимость анализа значительно ниже стоимости химического метода.

3.В зависимости от решаемых задач необходимо выбирать экономически выгодное оборудование.

4.Существующий на рынке товаров приборный парк позволяет укомплектовать лабораторию всем необходимым оборудованием.

 

Литература:

1. Зайдель А. Н. Основы спектрального анализа. М.: Наука, 19с.

2. Тарасов К. И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение, 1975.

3. Кустанович И. М. Спектральный анализ. М.: Высшая школа, 1972.

4. Ломоносова Л. С. Спектральный анализ. М.: Металлургия, 1958.

1. http://lnktd-opz.narod.ru/sa.html - Спектральный анализ;

2.http://otherreferats.allbest.ru/physics/00057336_0.html-Спектры;

3.html - Методы спектрального анализа;

4. http://alnam.ru/book_a_chem2.php?id=204 – понятие об эмиссионном спектральном анализе;

5. Львов Б. В., Атомно-абсорбционный спектральный анализ, М, 1966;

6. http://www.nytek.ru/Article_403.html - Теория комбинационного рассеяния света;

7.http://www.booksshare.net/index.php?id1=4&category=physics&author=shlezinger-ma&book=1961&page=171 – Научная литература. Люминесцентный анализ;

8. http://allencyclopedia.ru/72541 - Рентгеновский спектральный анализ;

9.http://www.kazedu.kz/referat/39304 - Применение физики в криминалистических исследованиях;

10.http://bookzooka.com/book/571-fizicheskie-metody-kontrolya-kachestva-materialovaabataeva/75-95-sxema-provedeniya-spektralnogo-analiza.html - Схема проведения спектрального анализа;

11. Зайдель А. Н., Основы спектрального анализа М., 1965,324с.