Домой Регистрация
Приветствуем вас, Гость



Форма входа

Население


Вступайте в нашу группу Вконтакте! :)




ПОИСК


Опросник
Используете ли вы афоризмы и цитаты в своей речи?
Проголосовало 514 человек


Спектральный анализ что это такое


Спектральный анализ: Виды спектрального анализа

Спектр излучения света

Химический состав вещества – важнейшая характеристика используемых человечеством материалов. Без его точного знания невозможно со сколько-нибудь удовлетворительной точностью спланировать технологические процессы в промышленном производстве. В последнее время требования к определению химического состава вещества еще более ужесточились: многие сферы производственной и научной деятельности требуют материалы определенной «чистоты» - это требования точного, фиксированного состава, а также жесткого ограничения на наличие примесей инородных веществ. Всвязи с этими тенденциями разрабатываются все боле прогрессивные методики определения химического состава веществ. К ним относится и метод спектрального анализа, обеспечивающий точное и быстрое изучение химии материалов.

Фантастика света

Природа спектрального анализа

Спектральный анализ (спектроскопия) изучает химический состав веществ на основе их способностей по испусканию и поглощению света. Известно, что каждый химический элемент испускает и поглощает характерный только для него световой спектр, при условии, что его можно привести к газообразному состоянию.

В соответствии с этим, возможно определение наличия этих веществ в том или ином материале по присущему только им спектру. Современные методы спектрального анализа позволяют установить наличие вещества массой до миллиардных долей грамма в пробе – за это ответственен показатель интенсивности излучения. Уникальность испускаемого спектра атомом характеризует его глубокую взаимосвязь с физической структурой.

Спектральный анализ реликтового микроволнового излучения

Видимый свет представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 3,8*10-7 до 7,6*10-7 м, ответственной за различные цвета. Вещества могут излучать свет только лишь в возбужденном состоянии (это состояние характеризуется повышенным уровнем внутренней энергии) при наличии постоянного источника энергии.

Спектры излучения

Получая избыточную энергию, атомы вещества излучают ее в виде света и возвращаются в свое обычное энергетическое состояние. Именно этот испускаемый атомами свет и используется для спектрального анализа. К самым распространенным видам излучения относят: тепловое излучение, электролюминесценция, катодолюминесценция, хемилюминесценция.

Спектральный анализ. Окрашивание пламени ионами металлов

Виды спектрального анализа

Различают эмиссионную и абсорбционную спектроскопию. Метод эмиссионной спектроскопии основан на свойствах элементов к излучению света. Для возбуждения атомов вещества используются высокотемпературный нагрев, равный нескольким сотням или даже тысячам градусов, – для этого пробу вещества помещают в пламя или в поле действия мощных электрических разрядов. Под воздействием высочайшей температуры молекулы вещества разделяются на атомы.

Атомы, получая избыточную энергию, излучают ее в виде квантов света различной длины волны, которые регистрируются спектральными аппаратами – приборами, визуально изображающими получившийся световой спектр. Спектральные аппараты служат также и разделительным элементом системы спектроскопии, потому как световой поток суммируется от всех присутствующих в пробе веществ, и в его задачи входит разделение общего массива света на спектры отдельных элементов и определение их интенсивности, которая позволит в будущем сделать выводы о величине присутствующего элемента в общей массе веществ. 

Спектральный анализ

Спектры испускания и поглощения: натрий, водород и гелий

Открытие спектрального анализа

Значение спектроскопии для науки

Спектральный анализ позволил человечеству открыть несколько элементов, которые невозможно было определить традиционными методами регистрации химических веществ. Это такие элементы, как рубидий, цезий, гелий (он был открыт с помощью спектроскопии Солнца – задолго до его обнаружения на Земле), индий, галлий и другие. Линии этих элементов были обнаружены в спектрах излучения газов, и на момент их исследования были неидентифицируемы.

Стало понятно, что это и есть новые, доселе неизвестные элементы. Серьезное влияние спектроскопия оказала на становление нынешнего вида металлургической и машиностроительной промышленности, атомной индустрии, сельское хозяйство, где стала одним из главных инструментов систематического анализа.

Огромное значение спектроскопия приобрела в астрофизике

Спровоцировав колоссальный скачок в понимании структуры Вселенной и утверждении того факта, что все сущее состоит из одних и тех же элементов, которыми, в том числе, изобилует и Земля. Сегодня метод спектрального анализа позволяет ученым определять химический состав находящихся за миллиарды километров от Земли звезд, туманностей, планет и галактик – эти объекты, естественно, не доступны методикам прямого анализа ввиду своего большого  удаления.

С помощью метода абсорбционной спектроскопии возможно изучение далеких космических объектов, не обладающих собственным излучением. Это знание позволяет устанавливать важнейшие характеристики космических объектов: давление, температуру, особенности структуры строения и многое другое.

Спектральный анализ в астрофизике

Что такое спектральный анализ

9 апреля 2014

Автор КакПросто!

Спектр – это разложение света на составляющие – разноцветные лучи. Каждое вещество излучает или отражает собственный спектр, анализируя который, можно точно определить, о каком веществе идет речь, каково его количество.

Содержание статьи

Впервые спектральный анализ попытались сделать Кирхгоф и Бунзен еще в 1859 году. Два физика создали спектроскоп, похожий на трубу неправильной формы. С одной стороны имелось отверстие (коллиматор), в которое попадали исследуемые лучи света. Внутри трубы располагалась призма, она отклоняла лучи и направляла их в сторону другого отверстия трубы. На выходе физики могли видеть свет, разложенный на спектр.

Ученые решили провести эксперимент. Затемнив комнату и завесив окно плотными шторами, они зажгли свечу возле щели коллиматора, а потом брали кусочки разных веществ и вводили их в пламя свечи, наблюдая, изменится ли спектр. И оказалось, что горячие пары каждого вещества давали различные спектры! Так как призма строго разделяла лучи и не давала им наслаиваться друг на друга, то по получившемуся спектру можно было точно идентифицировать вещество. В дальнейшем Кирхгоф проанализировал спектр Солнца, обнаружив, что в его хромосфере присутствуют определенные химические элементы. Это дало начало астрофизике.

Для проведения спектрального анализа необходимо совсем малое количество вещества. Этот метод крайне чувствителен и очень быстр, что позволяет не только пользоваться им для самых разных нужд, но и делает его порой просто незаменимым. Точно известно, что каждый химический элемент таблицы Менделеева излучает особенный спектр, свойственный только ему одному, поэтому при правильно проведенном спектральном анализе ошибиться практически невозможно.

Спектральный анализ бывает атомный и молекулярный. Посредством атомного анализа можно выявить, соответственно, атомный состав вещества, а посредством молекулярного – молекулярный. Способов измерить спектр существует два: эмиссионный и абсорбционный. Эмиссионный спектральный анализ проводится посредством изучения того, какой спектр излучают выбранные атомы или молекулы. Для этого им нужно придать энергию, то есть, возбудить их. Абсорбционный анализ, напротив, проводится по спектру поглощения электромагнитного изучения, направленного на объекты.

Посредством спектрального анализа можно измерить множество различных характеристик веществ, частиц или даже больших физических тел (например, космических объектов). Именно поэтому спектральный анализ дополнительно делится на различные методы. Чтобы получить требуемый для конкретной задачи результат, нужно правильно выбрать оборудование, длину волн для исследования спектра, а также саму область спектра.

Спектральный анализ — это метод количественного и качественного определения состава вещества. Он основан на изучении спектров поглощения, испускания и люминесценции.

Содержание статьи

Спектральный анализ подразделяют на несколько самостоятельных методов. Среди них выделяют: инфракрасную и ультрафиолетовую спектроскопию, атомно-абсорбционный, люминесцентный и флуоресцентный анализ, спектроскопию отражения и комбинационного рассеяния, спектрофотометрию, рентгеновскую спектроскопию, а также ряд других методов.Абсорбционный спектральный анализ основан на изучении спектров поглощения электромагнитного излучения. Эмиссионный спектральный анализ проводится по спектрам испускания атомов, молекул или ионов, возбужденных различными способами. Спектральным анализом часто называют только атомно-эмиссионный спектральный анализ, который основан на исследовании спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе. Его проводят в области длин волн 150-800 нм. В источник излучения вводят пробу исследуемого вещества, после чего в нем происходит испарение и диссоциация молекул, а также возбуждение образовавшихся ионов. Они испускают излучение, которое фиксируется регистрирующим устройством спектрального прибора.

Спектры проб сравнивают со спектрами известных элементов, которые можно найти в соответствующих таблицах спектральных линий. Так узнают состав анализируемого вещества. Количественный анализ подразумевает определение концентрации данного элемента в анализируемого веществе. Ее узнают по величине сигнала, например, по степени почернения или оптической плотности линий на фотопластинке, по интенсивности светового потока на фотоэлектрическом приемнике.

Непрерывный спектр излучения дают вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы. В таком спектре нет разрывов, в нем представлены волны всех длин. Его характер зависит не только от свойств отдельных атомов, но и от их взаимодействия друг с другом.Линейчатый спектр излучения характерен для веществ в газообразном состоянии, при этом атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Дело в том, что изолированные атомы одного химического элемента излучают волны строго определенной длины волны.

При увеличении плотности газа спектральные линии начинают расширяться. Для наблюдения такого спектра используют свечение газового разряда в трубке или паров вещества в пламени. Если пропускать белый свет через неизлучающий газ, на фоне непрерывного спектра источника появятся темные линии спектра поглощения. Газ интенсивнее всего поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в нагретом состоянии.

Распечатать

Что такое спектральный анализ

Спектральный анализ

Спектральный анализ — главный метод определения химического состава удалённых светящихся объектов, например, звёзд. Первыми элементами, открытыми посредством этого метода, стали цезий и рубидий. А вскоре обнаружился и гелий, причём, на Солнце его открыли на 27 лет раньше, чем на Земле.

Всем известны семь основных цветов, распознаваемых нашим глазом, но ещё есть оттенки в переходе от одного цвета к другому. Свет – это смесь электромагнитных колебаний, и каждое колебание имеет свою длину волны, и, соответственно, свой цвет. Пропуская свет от объекта через призму, его разлагают на спектры. От получившейся картины (спектрограммы) и делают выводы о характеристиках испустившего свет объекта. Пример из жизни — радуга после дождя. Капли дождя разлагают свет, летящий от солнца на семь основных цветов. Единица измерения длин волн – Ангстремодна стомиллионная часть сантиметра

Все спектры, которые возможно наблюдать, подразделяются на три класса:

  1. Линейчатый спектр излучения. Эмиссионные линии испускаются нагретым газом, находящимся в разреженном состоянии.
  2. Непрерывный спектр. Эти виды спектров получаются у твёрдых тел, жидкостей, а также горячих непрозрачных газов.
  3. Линейчатый спектр поглощения. Спектр образуется, если излучение от горячего тела, обладающего непрерывным спектром, проходит сквозь разреженную холодную среду.

Применение в астрономии

Спектральный анализ очень широко применяется в современной астрономии. Это метод, способный выдавать самые подробные и уникальные сведения об объектах космоса. 

Анализируя излучения объекта, можно очень точно установить его основные характеристики. 

Распространение света имеет вид электромагнитных волн. Для каждого цвета характерна длина волны определённой величины. Длина волны уменьшается в спектре от 7000 Ангстрем до 4000 Ангстрем, от красных лучей – к фиолетовым. После фиолетовых лучей располагаются ультрафиолетовые лучи. Они не улавливаются глазом, но фиксируются приборами. После ультрафиолетового идут рентгеновские лучи — они имеют еще меньшую длину волны.

Другая сторона спектра, красная, продолжается инфракрасными лучами, также невидимыми человеческому глазу, но улавливаемыми специально подготовленными фотопластинками. Спектральные наблюдения – это исследования лучей в диапазоне цветов от ультрафиолетового до инфракрасного. Насыщенность спектральных линий определяет количество молекул и атомов, излучающих или поглощающих энергию. Количество атомов тем больше, чем ярче линия в излучаемом спектре и темнее в поглощаемом. Для Солнца и всех остальных звёзд характерно наличие газовой атмосферы. Излучение, проходящее через атмосферу, проявляется тёмными линиями поглощения на непрерывном спектре видимой поверхности. Для таких объектов – это спектры поглощения. Спектральный анализ, базирующийся на принципе Доплера, позволяет определять скорости движения небесных тел относительно нашей планеты по лучу зрения. У Приближающегося к наблюдателю источника света укорачиваются длины волн, а если источник удаляется, то длины волн будут увеличиваться. Если тело движется на Земле, то его скорость вызывает ничтожные смещения линий в спектре. И даже скорости небесных тел, имеющие значения десятков и сотен км./сек., видимы в настолько малых смещениях, что наблюдение их на спектрограммах реально только помощи микроскопа. Полученная спектрограмма светила сравнивается с эталонами, которыми служат спектрограммы земных источников излучения, например, неоновой лампы. Относительно неподвижного спектра в эталонах определяется сдвиг спектральных линий наблюдаемого объекта. Этот сдвиг очень мал, и величина его исчисляется десятыми и сотыми долями миллиметра.

Значение для космологии

В настоящее время все спектры химических элементов определены и сведены в специальные таблицы. Спектральный анализ позволил открыть некоторые неизвестные элементы, например, рубидий и цезий. И эти новые элементы иногда получали названия, соответствующие цветам преобладающих линий спектра: рубидий даёт тёмно-красные линии, а цезий (небесно-голубой) – голубые. Только спектральный анализ помог определить химический состав нашего светила и других звёзд. Использование иных методов для достижения этой цели не представляется возможным. Как оказалось, и на нашей планете, и на далёких звёздах присутствуют одинаковые химические элементы. Астрофизика, используя спектральный анализ, узнаёт характеристики, которыми обладают звёзды, газовые облака и другие объекты. Это химический состав, температура, скорость движения, магнитная индукция, давление. Все эти величины определяются только анализом спектральных линий космических объектов. Приняв на вооружение эффект Доплера, стало возможным измерение лучевых скоростей тысяч звёзд, газовых туманностей и других внегалактических объектов. Определились закономерности движения отдельных светил и вращения звёздных систем. Были установлены величины масс галактик и звёздных скоплений. Используя эффект, открытый голландским физиком Зееманом, можно определять параметры космических магнитных полей. Сильные магнитные поля расщепляют линии спектра. Такой эффект создаёт и поле электрическое, которое может возникать в звезде на непродолжительное время (эффект Штарка).

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ - это... Что такое СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ?

- совокупность методов определения элементногои молекулярного состава и строения веществ по их спектрам. С помощью С. компоненты, составляющие 50- 60% вещества анализируемыхобъектов, так и незначит. примеси в них (до и менее). С. а. - наиб. распространённый аналитич. метод, св. 20- 30% всеханализов выполняется с помощью этого метода, в т. ч. контроль состава сплавовв металлургии, автомоб. и авиац. пром-сти, технологии переработки руд, Основа С. а.- спектроскопия атомов и молекул; его классифицируютпо целям анализа и типам спектров. В атомном С. а. (АСА) определяют элементныйсостав образцов по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения; вмолекулярном С. а. (МСА) - молекулярный состав вещества по молекулярнымспектрам поглощения, испускания, отражения, люминесценции и комбинационногорассеяния света. Эмиссионный С. а. проводят по спектрам испусканиявозбуждённых атомов, ионов и молекул. Абсорбционный С. а. осуществляютпо спектрам поглощения анализируемых объектов. В С. а. часто сочетают неск. Атомный спектральный анализ Различают два осн. варианта атомногоС. а.- атомно-эмиссионный (АЭСА) и атомно-абсорбционный (ААА).

Атомно-эмиссионный спектральный анализ основан на зависимости 1 =f(с) интенсивности 1 спектральной линии испускания (эмиссии)определяемого элемента х от его концентрации в анализируемом объекте:

где -вероятность квантового перехода из состояния q в состояние р,nq - концентрация атомов, находящихся в состоянии q висточнике излучения (исследуемом веществе),- частота квантового перехода. Если в зоне излучения выполняется локальноетермодинамическое равновесие, концентрация электронов п e14-1015 и их распределение по скоростям максвелловское,

где n а - концентрация невозбуждённых атомов определяемогоэлемента в области излучения, gq - статистический вес состояния q,Z - статистическая сумма по состояниям q, причём

- энергиявозбуждения уровня q. Т. о., искомая концентрация n а- ф-ция темп-ры, к-рая практически не может строго контролироваться. Поэтомуобычно измеряют интенсивность аналитич. линии относительно нек-рого внутр. ст. Если стандартная линия близка к аналитической, то (K - постоянная величина). Эта зависимость используется в С. а. в тех случаях, В АЭСА применяются в осн. спектральные приборы с фоторегистрацией(спектрографы) и фотоэлектрич. регистрацией (квантометры). Излучение исследуемогообразца направляется на входную щель прибора с помощью системы линз, попадаетна диспергирующее устройство (призма или дифракц. решётка) и после монохроматизациифокусируется системой линз в фокальной плоскости, где располагается фотопластинкаили система выходных щелей (квантометр), за к-рыми установлены фотоэлементыили фотоумножители. При фоторегистрации интенсивности линий определяютпо плотности почернения S, измеряемой микрофотометром:

где р - т. н. константа Шварцшильда,- фактор контрастности; t - время экспозиции.

В АЭСА исследуемое вещество должно находиться в состоянии атомного газа. возбуждение атомов осуществляются одновременно - висточниках света. Для анализа металлов, сплавов и др. проводников чащевсего используют дуговой разряд или искровой разряд, гдев качестве электродов служат сами анализируемые пробы. Дуговой разряд применяетсяи для анализа непроводящих веществ. В этом случае порошкообразную пробупомещают в углубление в графитовом электроде (метод испарения) или с помощьюразл. устройств вводят порошок в плазму дугового разряда между горизонтальнорасположенными графитовыми электродами. Применяется также введение порошкообразныхпроб в дуговые плазмотроны.

При АЭСА растворов в качестве источников возбуждающего света применяютпламя горючих газов (смеси ацетилен - кислород, ацетилен - закись азотаи др.). В качестве источников света начали использовать также безэлектродныйразряд и особенно индуктивносвязанную плазму. Во всех случаях растворв виде аэрозоля потоком аргона вводят в зону возбуждения спектра (темп-ра2500-3000 К в пламенах и 6000- 10000 К в плазме разряда), где происходитвысушивание, испарение и атомизация аэрозоля.

Процесс атомизации в методах АЭСА обычно носит термич. характер, чтопозволяет сделать нек-рые обобщения. В реальных условиях, учитывающих кинетикупроцесса, для частиц, находящихся в зоне с темп-рой ТT кип(T кип - темп-pa кипения), зависимость кол-ва испарившихсячастиц от времени описывается ур-нием:

где r - радиус частицы, D - коэф. диффузии, -поверхностное натяжение раствора, р- давление насыщенных паров, М- мол. масса,- плотность. Пользуясь этим ур-нием, можно найти кол-во вещества, испарившеесяза время t.

Если при этом молекула состоит из элементов п 1 и n2,то степень атомизации может быть рассчитана по ур-нию:

где М 1 и M2 - ат. массы элементов п 1 и n2; Z1 и Z2 - статистич. M МОЛ

- мол. массаатомизирующейся молекулы, Z3 - статистич. сумма по еёсостояниям, -энергия диссоциации молекулы. Такого типа расчёты позволяют найти концентрациюатомов определяемого элемента п а в ур-нии (2) и определитьеё связь с интенсивностью аналитич. линии. Необходимость учитывать взаимодействиеопределяемого элемента с окружающей средой, др. компонентами анализируемоговещества, ионизацию атомов определяемого элемента и др. эффекты значительноусложняет картину испарения и атомизации исследуемого вещества. С цельюоблегчения С. а. создаются спец. программы расчёта на ЭВМ достаточно сложныхреакций в газовой и конденсированных фазах при заданных темп-ре и давлении.

В источниках излучения чаще всего не соблюдается термодинамич. равновесие, с помощью серии стандартных образцов анализируемого материала с заранееточно известными содержаниями определяемого элемента. Такие образцы либоизготовляют специально, либо заранее в неск. образцах устанавливают концентрациюэтого элемента точными методами. Измеряя затем аналитич. сигнал , находят содержание определяемого элемента в пробе.

Структура и физ.-хим. свойства анализируемого и стандартного объектовмогут оказаться неадекватными (различны, напр., условия парообразованиястепени атомизации, условий возбуждения). Эти различия приходится учитыватьпри С. а. В таких случаях используют метод факторного статистич. планированияэксперимента. В результате экспериментов получают т. н. ур-ния регрессии, Атомно-абсорбционный анализ (ААА) основан на зависимости аналитич. сигнала(абсорбционности) (где - интенсивности падающего и прошедшего сквозь образец света) от концентрации( Бугера- Ламберта - Берa закон):

где kv - коэф. поглощения на частоте v, l - эфф. п - концентрация атомованализируемого элемента в парах.

Схема установки ААА включает: независимый источник излучения света счастотой v, равной частоте аналитич. линии определяемого элемента; атомизатор, спектрофотометр. Свет, прошедший сквозьатомный пар, системой линз направляется на входную щель спектрофотометра, на выходе регистрируется фотоэлектрич. методом. Поскольку естественнаяширина спектральной линии, постоянна, зависит только от времени жизнивозбуждённого состояния и обычно пренебрежимо мала, разница контуров линиииспускания и поглощения определяется в осн. допплеровским и лоренцевским уширениями:

(здесь р - давление, с - скорость света, т - атомная, М- молекулярная массы,- эфф. сечение столкновений, приводящих к уширению, К - константа).Т. о., ширины контуров линий поглощения и испускания могут быть различнымив зависимости от давления, темп-ры и состава газовой фазы в источнике излученияи в поглощающей ячейке, что отразится на виде ф-ции и может привести к неоднозначности результатов С. а. До нек-рой степениэто удаётся устранить достаточно сложными приёмами. В методе Уолша применяютлампы с полым катодом (ЛПК), к-рые излучают спектральные линии значительноболее узкие, чем линии поглощения атомов определяемых элементов в обычныхпоглощающих ячейках. В результате зависимость в довольно широких пределах значений А (0 -0,3) оказывается простойлинейной ф-цией.

В качестве атомизатора в ААА используют разл. пламена на основе смесейводород - кислород, ацетилен - воздух, ацетилен - закись азота и др. Анализуподвергают аэрозоль раствора пробы, вдуваемый в горящее пламя. Последовательноизмеряют интенсивности и I0 света, прошедшего сквозь пламя во время подачи аэрозоляи без его подачи. В совр. приборах измерение автоматизировано. В нек-рых случаях процессы испарения и последующей атомизациипробы из-за низкой темп-ры пламён ( Т ~3000 К) в газовой фазе происходятне полностью. Процессы испарения частиц аэрозоля и степень атомизации впламени сильно зависят также от состава пламени (соотношения горючего иокислителя), а также от состава раствора аэрозоля. Хорошую воспроизводимостьаналитич. сигнала (в лучших случаях Sr составляет 0,01-0,02)удаётся получать, применяя в качестве источников ЛПК, излучение к-рогообладает высокой стабильностью, и осуществляя процессы испарения и атомизациив пламени.

В ААА (как и в АЭСА) эмпирически строят зависимость с помощью образцов, содержащих точно известные кол-ва определяемого элемента. ААА с пламенной атомизацией широко применяется в промышленности, медицине, Существуют разл. методы с непламённой атомизацией (напр., с использованиемдугового, искрового, в т. ч. СВЧ-, разрядов). Однако наиб. распространениеполучил метод с электротермич. атомизацией проб (ЭТА). В этом методе атомизаторпредставляет собой трубчатую графитовую печь сопротивления, нагреваемуюв атмосфере аргона электрич. током. Раствор пробы вводится сквозь отверстиена внутр. стенку печи или графитовую пластинку внутри печи, где проба высушивается, Свет от ЛПК направляется вдоль оси графитовой трубки, проходит сквозьатомные пары и попадает на входную щель спектрофотометра. Интенсивности I Х и I0 регистрируются фотоэлектрич. приёмником. Благодарябыстрому разогреву печи на стадии атомизации, импульсному поступлению паровв зону поглощения света и малому объёму этой области мгновенная концентрацияатомов значительно выше, чем при пламенной атомизации. Если при этом используетсямалоинерционная регистрация поглощения, то пределы обнаружения элементоврезко (на 4-5 порядков) улучшаются. Поэтому метод ААА с электротермич. кадмий, цинк, медь, серебро с помощью этого метода регистрируютсяв кол-вах ~10-13-10-14 г; при массе пробы 0,001-0,005г это составляет 10-8-10-9%, что является рекорднымдля аналитич. методов. Кроме того, с помощью метода ААА возможен непосредственный(без растворения) анализ нек-рых веществ, однако при этом возникают трудностис градуировкой и несколько ухудшается воспроизводимость. Тем не менее методнашёл применение при определении примесей кремния, железа, кальция и т. В ААА с электротермич. атомизацией кроме графитовых трубчатых печейиспользуют, напр., атомизаторы в виде вольфрамовой спирали. Они дают возможностьобнаружить мн. элементы, содержание к-рых в растворе 10-14-10-15 г. Совр. установки для ААА позволяют производить анализ (с погрешностьюне выше 0,05-0,1) в пробах, содержание определяемых элементов в к-рых ~10-5-10-7%.

Наиб. чувствительным С. а. является анализ с лазерным возбуждением спектра(для этого применяют перестраиваемые лазеры на красителях). Техника атомизациив этом случае мало отличается от используемой в ААА. Благодаря монохроматичностии высокой мощности излучения лазера возбуждается значительно большее числоатомов определяемого элемента, чем при термич. возбуждении. Чувствительностьобнаружения элементов при лазерном возбуждении чрезвычайно высока. Естьсведения, что удалось определять свинец в воде при содержаниях до (1 пкг/мл).

Лит.: Зайдель А. Н., Основы спектрального анализа, М., 1965;Львов Б. В., Атомно-абсорбционный спектральный анализ, М., 1966; РусановА. К., Основы количественного спектрального анализа руд и минералов, 2изд., М., 1978; Спектральный анализ чистых веществ, Л., 1971; Лазернаяаналитическая спектроскопия, М., 1986. В. В. Недлер.

Молекулярный спектральный анализ

С помощью молекулярного С. а. (МСА) осуществляют качественное (идентификация)и количественное определения индивидуальных веществ или вещества в смесях. Методы МСА основаны на сравнении измеренных молекулярных спектров исследуемогообразца со стандартными спектрами индивидуальных веществ (или расчётнымиспектрами, когда спектры индивидуальных соединений неизвестны). Используютвсе виды молекулярных спектров, характеризующих взаимодействие веществас эл.-магн. излучением (спектры поглощения, испускания, рассеяния, отражения, -12 м ( -излучение)до 103 м (радиоволны; диапазон частот 1018-106 Гц).

Молекулярный спектр является однозначной характеристикой молекулы, определяетсяеё свойствами в целом, её структурой и свойствами входящих в неё атомов. виды спектров: рентгеновские (см. Рентгеноспектральный анализ), -спектры(см. Мёссбауэровская спектроскопия), фотоэлектронные спектры (см. Фотоэлектроннаяспектроскопия), спектры ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронногопарамагнитного резонанса (ЭПР), ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР).

Для целей МСА могут служить и др. методы исследований: для оптическиактивных молекул - дисперсия вращения плоскости поляризации, поляриметрия иэлектронный и колебательный круговой дихроизм (в УФ-, видимой иИК-областях, в спектрах КР). С появлением лазеров стали интенсивно развиватьсяметоды С. а., основанные на нелинейных эффектах, возникающих при взаимодействиивещества с лазерным излучением большой мощности; к ним относятся когерентноерассеяние света, вынужденное комбинац. рассеяние света (в т. ч. гиперкомбинац. Нелинейная спектроскопия). ЧувствительностьМСА возросла как благодаря применению лазеров, так и за счёт использованияновых методов регистрации спектров (многоканальные методы, в первую очередьфурье-спектро-скопия, фотоакустич. спектроскопия) и применения низких температур(матричная изоляция, сверхзвуковые молекулярные пучки и др.). В нек-рыхслучаях МСА позволяет определять вещества в кол-вах до 10-12 г.

Качественный МСА позволяет по молекулярным спектрам идентифицироватьиндивидуальные вещества или устанавливать молекулярный состав исследуемогообразца. наиб. специфичны спектры веществ, содержащих в определ. интервалечастот исследуемого диапазона большое число спектрально разрешённых линийили полос (число полос во вращат. спектрах газообразных веществ в микроволновомдиапазоне достигает ~ 106).

Для повышения информативности МСА в нек-рых случаях измерение спектровкомбинируют с др. методами идентификации веществ, напр. сочетают ИК-спектрометри газовый хроматограф, что позволяет получать спектры индивидуальных компонентсложной смеси веществ. В связи с развитием фурье-спектроскопии, резко повысившейчувствительность ИК-спектрометров поглощения, стало возможным измерятьспектры отд. хроматографич. фракций при содержании исследуемого вещества~10-9 г. Сочетание ИК-спектрометров и спектрометров комбинац. распределение веществ на поверхности гетерогенныхобразцов.

Разновидностью МСА является структурно-групповой анализ, позволяющийопределять в смеси не отдельные вещества, а классы веществ, имеющих общийспектральный признак, напр. органич. кислоты и кетоны. Метод основан наналичии в молекулярных спектрах т. н. характеристических частот. наиб. , в спектре появляется полоса в области 2200-2300см -1, для всехтиоспиртов с группой S - Н в спектре появляются полосы в области 2500-2600см -1, в спектрах всех органич. кислот имеются принадлежащиегруппе СООН полосы в области 1600-1750 см -1.

Метод структурно-группового анализа позволяет определить класс, к к-ромупринадлежит вещество, и наличие тех или иных функциональных групп. Так, Качественный МСА производят путём сравнения получаемого спектра со стандартнымиспектрами. Созданы библиотеки, включающие десятки тысяч спектров. Анализсущественно ускоряется и упрощается при использовании ЭВМ, в память к-ройвводятся стандартные спектры. В ЭВМ сравнение может вестись как по всемуспектру, так и по отд. спектральным признакам, измеряемые спектры можновводить непосредственно в память ЭВМ. Если в библиотеке искомого спектранет, то спектр анализируемого вещества сопоставляют с теоретически рассчитанным. квантовойхимии рассчитывают электронные и колебат. спектры достаточно сложныхмолекул, к-рые также могут использоваться при идентификации веществ.

В науч. исследованиях часто проводят МСА неустойчивых и короткоживущихмолекул, а также анализ промежуточных продуктов хим. реакций и изучениеих кинетики. Для этой цели разработаны скоростные методы возбуждения ирегистрации спектров. Так, с помощью фурье-спектрометров получают ИК-спектрыза время до 10-3 с, при импульсном лазерном возбуждении - спектрыкомбинац. рассеяния за время ~10-9 с, спектры поглощения и флуоресценцииза время ~10-12 с и даже 10-15 с (см. Фемтосекунднаяспектроскопия).

При низких темп-pax время жизни неустойчивых молекул возрастает, чтопозволяет изучать их обычными спектральными методами. Одновременно за счётсужения линий, сопровождающегося ростом их пиковой интенсивности, а такжелучшего разрешения тонкой структуры существенно возрастают чувствительностьи информативность спектров. В т. н. методе матричной изоляции исследуютспектры разбавленных твёрдых растворов, когда исследуемое вещество заключенов твёрдой матрице инертного газа (Ne, Ar, Кг, Хе), азота и др. газов притемп-pax ок. 10 К; хорошо разрешённые узкие спектры вещества получают методоммолекулярных пучков, когда находящаяся под большим давлением смесь пароввещества и газа-носителя (обычно No, Аr) со сверхзвуковой скоростью вытекаетчерез узкое сопло, адиабатически охлаждается до темп-ры ниже 1 К и затемрегистрируются спектры. В этом случае могут быть спектроскопически идентифицированыдаже такие неустойчивые частицы, как ван-дер-ваальсовы молекулы.

Количественный МСА наиб. часто проводят по спектрам поглощения. В основеметода лежит Бугера - Ламберта- Вера закон:

где I0 и I - интенсивности падающего и прошедшего через образецизлучения, l - толщина слоя, с - концентрация вещества. Коэф. (молярный коэф. погашения) определяет поглощат. способность вещества начастоте излучения. Закон Бугера - Ламберта - Бера можно использовать вМСА только в отсутствие зависимости е от с, к-рая обычно связанас наличием в растворе межмолекулярных взаимодействий (напр., ассоциации).МСА по спектрам поглощения наиб. удобен для растворов и жидкостей; длятвёрдых веществ и газов такие измерения более сложны.

На практике обычно измеряют оптическую плотность

Если в смеси имеется п не реагирующих между собой веществ, тооптич. плотность на частоте v аддитивна:

Это позволяет проводить полный или частичный анализ многокомпонентныхсмесей. При этом задача сводится к измерениям оптич. плотностей в . точкахспектра смеси и решению системы ур-ний:

Необходимо знать величины коэф.для каждой из компонент смеси при используемых значениях частот. Если соотношение(5) строго не выполняется, для проведения анализа смесей строят градуировочныекривые зависимости D от .

Количественный МСА обычно производят с помощью спектрофотометров, измеряющихсоотношение в широком диапазоне v. Если полоса поглощения исследуемого вещества изолированаи не перекрывается с др. полосами поглощения смеси, то анализ многокомпонентнойсмеси может осуществляться по этой полосе (как и для однокомпонентноговещества) по ур-нию (4). Полоса может быть выделена при получении спектрав спектрометре, однако проще и дешевле её выделять с помощью светофильтра. Количественный МСА по спектрам испускания или комбинац. рассеяния светаосуществляют путём сравнения полученных спектров со спектрами эталонныхвеществ, записанными в тех же условиях. Интенсивность линии определяемоговещества сравнивают с интенсивностью нек-рой линии стандартного вещества(метод «внеш. стандарта») или с интенсивностью линии стандартного вещества, Флуоресцентный МСА основан на сравнении спектров свечения раствора исследуемоговещества со свечением эталонных растворов близкой концентрации. Метод обладаетвысокой чувствительностью, но уступает методам поглощат. спектроскопиипо универсальности и избирательности. При использовании техники замороженныхрастворов (метод Шпольского; см. Шпольского эффект )информативностьспектров флуоресценции резко возрастает, т. к. в этих условиях спектрыобладают ярко выраженной индивидуальностью и резко различны даже для изомерови молекул близкого строения. Напр., метод Шпольского даёт возможность проведениякачеств. и количеств. анализа сложных смесей ароматич. углеводородов. Благодаряисключительно малой ширине спектральных линий в спектрах Шпольского удаётсядостигнуть пороговой чувствительности обнаружения нек-рых ароматич. веществ(~10-11 г/см 3).

Лит.: Беллами Л., Инфракрасные спектры сложных молекул, пер. Б. В. Лакшин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Спектральный анализ, его виды и области применения :

Спектральный анализ был открыт в 1859 году Бунзеном и Кирхгофом, профессорами химии и физики одного из старейших и престижных учебных заведений Германии - Гейдельбергского университета имени Рупрехта и Карла. Открытие оптического метода исследования химического состава тел и их физического состояния содействовало выявлению новых химических элементов (индия, цезия, рубидия, гелия, таллия и галлия), возникновению астрофизики и стало своеобразным прорывом в различных направлениях научно-технического прогресса.

Прорыв в области науки и техники

Спектральный анализ значительно расширил области научного исследования, что позволило достигнуть более точных определений качества частиц и атомов, понять их взаимные соотношения и установить, чем обусловлено, что тела излучают световую энергию. Все это стало прорывом в области науки и техники, поскольку их дальнейшее развитие немыслимо без четкого знания химического состава веществ, являющихся объектами деятельности человека. Сегодня уже недостаточно ограничиться лишь определением примесей, к методам анализа веществ предъявляются новые требования. Так, при производстве полимерных материалов очень важна сверхвысокая чистота концентрации примесей в исходных мономерах, поскольку качество готовых полимеров нередко зависит именно от нее.

Возможности нового оптического метода

Повышенные требования предъявляются и к разработке методов, обеспечивающих точность и высокую скорость анализа. Химические методы анализа не всегда достаточны в этих целях, рядом ценных характеристик обладают физико-химические и физические способы определения химического состава. Среди них ведущее место занимает спектральный анализ, являющийся совокупностью методов количественного и качественного определения состава рассматриваемого объекта, основанную на исследовании спектров взаимодействия материи и излучения. Соответственно, сюда включаются также спектры акустических волн, электромагнитного излучения, распределения по энергиям и массам элементарных частиц. Благодаря спектральному анализу появилась возможность точно установить химический состав и температуру вещества, наличие магнитного поля и его напряженность, скорость движения и другие параметры. В основе метода заложено изучение строения света, излучаемого или поглощаемого анализируемым веществом. При запуске определенного пучка света на боковую грань трехгранной призмы составляющие белый свет лучи при преломлении создают на экране спектр, своеобразную радужную полоску, в которой все цвета всегда расположены в определенном неизменном порядке. Распространение света происходит в виде электромагнитных волн, определенная длина каждой из них соответствует одному из цветов радужной полосы. Определение химического состава материи по спектру очень схоже с методом нахождения преступника по отпечаткам пальцев. Линейчатым спектрам, как и узорам на пальцах, свойственна неповторимая индивидуальность. Благодаря этому и определяется химический состав. Спектральный анализ дает возможность обнаружить определенный компонент в составе сложного вещества, масса которого не выше 10-10. Это достаточно чувствительный метод. Для изучения спектров используются спектроскопы и спектрографы. В первых спектр рассматривают, а с помощью спектрографов его фотографируют. Полученный снимок называют спектрограммой.

Виды спектрального анализа

Выбор способа спектрального анализа во многом зависит от цели анализа и типов спектров. Так, для определения молекулярного и элементарного состава вещества применяются атомный и молекулярный анализы. В случае определения состава по спектрам испускания и поглощения используются эмиссионный и абсорбционный методы. При изучении изотопного состава объекта применим масс-спектрометрический анализ, осуществляемый по спектрам масс молекулярных или атомарных ионов.

Преимущества метода

Спектральный анализ определяет элементарный и молекулярный состав вещества, дает возможность провести качественное открытие отдельных элементов исследуемой пробы, а также получить количественное определение их концентраций. Близкие по химическим свойствам вещества очень трудно поддаются анализу химическими методами, но зато без проблем определяются спектрально. Это, например, смеси редкоземельных элементов или инертных газов. В настоящее время спектры всех атомов определены, и составлены их таблицы.

Области применения спектрального анализа

Лучше всего разработаны методики атомного спектрального анализа. Их используют для оценки самых разнообразных объектов в геологии, астрофизике, черной и цветной металлургии, химии, биологии, машиностроении и других отраслях науки и промышленности. В последнее время возрастает объем практического применения и молекулярного спектрального анализа. Его методы используются в химической, химико-фармацевтической и нефтеперерабатывающей промышленности для исследования органических веществ, реже и для неорганических соединений. Спектральный анализ и его применение в научной среде позволило создать астрофизику. А в дальнейшем уже в новой отрасли удалось установить химический состав газовых облаков, звезд, Солнца, что совершенно невозможно было сделать с помощью других методов анализа. Данный способ также позволил найти по спектрам и многие другие физические характеристики этих объектов (давление, температуру, скорость движения, магнитную индукцию). Нашел применение спектральный анализ и в области криминалистики, с его помощью исследуются улики, найденные на месте преступления, определяется орудие убийства, раскрываются некоторые частности совершенного преступления.

Прогрессивные лабораторные методы диагностики

Широкое применение получил спектральный анализ в медицине. Его используют для определения инородных веществ в организме человека, диагностирования, в том числе и онкологических заболеваний на ранней стадии их развития. Наличие или отсутствие многих заболеваний можно определить по лабораторному анализу крови. Чаще это болезни органов ЖКТ, мочеполовой сферы. Количество заболеваний, которые определяет спектральный анализ крови, постепенно увеличивается. Этот метод дает самую высокую точность при выявлении биохимических изменений в крови в случае сбоя в работе какого-либо органа человека. В ходе исследования специальными приборами регистрируются инфракрасные спектры поглощения, возникающие в результате колебательного движения молекул, сыворотки крови, и определяются любые отклонения ее молекулярного состава. Спектральным анализом проверяют также минеральный состав тела. Материалом для исследования в данном случае служат волосы. Любой дисбаланс, дефицит или избыток минералов часто связан с целым рядом заболеваний, таких как болезни крови, кожи, сердечно-сосудистой, пищеварительной системы, аллергия, нарушения развития и роста детей, снижение иммунитета, утомляемость и слабость. Подобные виды анализов считаются новейшими прогрессивными лабораторными методами диагностики.

Уникальность метода

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.

спектральный анализ - это... Что такое спектральный анализ?


Смотрите также




© 2012 - 2020 "Познавательный портал yznai-ka.ru!". Содержание, карта сайта.