Атомно-абсорбционная спектроскопия

При поглощении атомом кванта электромагнитного излучения, последний переходит из своего основного в возбуждённое состояние. При этом один из его электронов переходит на более высокий энергетический уровень. Атом способен поглощать только такое электромагнитное излучение, энергия которого точно равна разности между энергией основного и возбуждённого состояний.

Рис. 17. Схема процесса, лежащего в основе ААС.

Поскольку энергии переходов между различными энергетическими уровнями для атомов разных химических элементов отличаются, то атом каждого элемента будет иметь свой собственный атомный спектр поглощения. Поглощение электромагнитного излучения атомами происходит при строго определённых длинах волн, поэтому атомные спектры поглощения являются линейчатыми.

Рис. 18. Условный атомный спектр поглощения.

Принцип измерения аналитического сигнала в ААС такой же, как и в других абсорбционных методах анализа. В ААС измеряют относительную интенсивность двух потоков излучения, один из которых проходит через атомный пар, а другой является потоком сравнения.

Рис. 19. Принципиальная схема прибора для ААС.

Атомы поглощают излучение в очень узком диапазоне спектра, который с помощью монохроматора выделить из спектра испускания непрерывного источника практически невозможно. Однако если пропускать через атомный пар немонохроматическое излучение, то факт поглощения невозможно практически зарегистрировать. На приведенной выше схеме показана принципиальная схема прибора для атомно-абсорбционного анализа. В качестве источника излучения используют лампу с полым катодом, которая представляет собой стеклянный или кварцевый баллон, заполненный находящимся под низким давлением инертным газом. Внутри баллона находятся катод и анод, к которым приложено высокое напряжение. Катод изготовлен из такого металла, для определения которого используется лампа (легкоплавкий металл наносится в виде тонкого слоя на поверхность другого металла), и имеет цилиндрическую форму. Под действием высоковольтного разряда атомы инертного газа ионизируются с образованием положительно заряженных ионов, бомбардируют катод и «выбивают» из него атомы металла. Последние возбуждаются и испускают излучение характерное для свободных атомов данного металла. Из полученного линейчатого спектра выбирают с помощью обычного монохроматора одну определённую линию и затем используют её для определения соответствующего элемента. Для определения каждого элемента нужна своя лампа. Атомизатор необходим для того, чтобы получить свободные атомы. Молекулы имеют другое строение электронных оболочек и совершенно другой вид спектров поглощения. Атомизация должна проводиться в таких условиях, чтобы атомы оставались невозбуждёнными. Перед атомизацией анализируемый образец переводят в раствор. В ААС используется две группы атомизаторов: пламенные и электротермические. Пламенный атомизатор представляет собой горелку, в которой пламя имеет форму узкой вытянутой щели. Такая форма пламени позволяет получить большую длину поглощающего слоя, что приводит к повышению чувствительности определения. Для создания пламени используются горючие газовые смеси различного состава, например, ацетилен-воздух, ацетилен-кислород, пропан-воздух и др. Электротермический атомизатор представляет собой трубку длиной несколько сантиметров и внутренним диаметром до 1 см, изготовленную обычно из плотных сортов графита. Трубка нагревается до высокой температуры электрическим током большой силы. Для предотвращения сгорания графита трубка заполняется инертным газом. Электротермическая атомизация обладает рядом преимуществ перед пламенной, например, более эффективной атомизацией и более высокой чувствительностью определения, меньшим объёмом анализируемой пробы, возможностью вести измерения в вакуумной УФ-области и т.д. В качестве детектора в ААС обычно используют фотоумножители. Это связано с тем, что интенсивность излучения источника невысокая. Детектор связан через усилитель с соответствующим регистрирующим устройством. Атомно-абсорбционную спектроскопию используют для количественного определения более 70 химических элементов, главным образом металлов. Зависимость между степенью поглощения электромагнитного излучения и концентрацией поглощающего вещества в ААС такая же, как и в других абсорбционных методах анализа. Оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации атомов соответствующего химического элемента в атомизаторе и, следовательно, в анализируемой пробе:

Коэффициент является эмпирической величиной. Определение концентрации в ААС проводят методом градуировочного графика или методом добавок. Например, атомно-абсорбционным методом можно определять наличие неорганических токсикантов (так называемых «металлических ядов») в различных биологических объектах при судебно-химическом и химико-токсикологическом исследованиях. Пределы обнаружения большинства элементов составляют при использовании пламени 1-100 мкг/л, при электротермической атомизации на несколько порядков меньше. Основные ограничения данного метода анализа связаны с необходимостью наличия большого набора соответствующих ламп, а также необходимостью переведения анализируемого объекта в раствор.