Ատոմային կլանման սպեկտրաչափություն

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Jump to navigation Jump to search

Ատոմային կլանման սպեկտրաչափությունը(ААС) քանակական տարրական վերլուծության գործիքային մեթոդ է, որը լայնորեն տարածված է վերլուծական քիմիայում (ատոմային կլանման որոշման ժամանակակից մեթոդները հնարավորություն են տալիս որոշելու պարբերական համակարգի գրեթե 70 տարրերի պարունակությունը) ատոմային կլանման սպեկտրների միջոցով ՝ դրանց աղերի լուծույթներում մետաղների պարունակությունը որոշելու համար.բնական և կեղտոտ ջրերում, հանքայնացված լուծույթներում, տեխնոլոգիական և այլ լուծումներում[1][2][3]։ AAC-ի սարքը ատոմային կլանում է, որի հիմնական տարրերն են լույսի աղբյուրը, փոշիացնողը, սպեկտրալ սարքը և էլեկտրոնային համակարգը:Նմուշում տարրի պարունակության որոշումն իրականացվում է վերլուծական ազդանշանի և տրամաչափման լուծույթում տարրի խտության միջև փորձնականորեն հաստատված ֆունկցիոնալ կապի միջոցով։

Պատմություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Առաջին անգամ ատոմների սպեկտրալ կլանման գծերը հայտնաբերվել են 19-րդ դարի սկզբին արևի սպեկտրը ուսումնասիրելիս անգլիացի բժիշկ և քիմիկոս Ուիլյամ Վոլաստոնը, այնուհետև գերմանացի ֆիզիկոս Իոսիֆ Ֆրաունհոֆերը:Ատոմային կլանման և արտանետումների սպեկտրների տեսակների և տաքացվող գազի քիմիական կազմի միջև կապը հաստատել են գերմանացի գիտնականներ Ռոբերտ Բունսենը և Գուստավ Կիրխհոֆը 1859-1861 թվականներին:Այդ ժամանակից ի վեր ատոմների արտանետման սպեկտրները լայնորեն օգտագործվում են տարբեր կազմի և միաձուլման վիճակի նմուշներում պարբերական աղյուսակի տարրերի որակական և քանակական որոշման մեջ:Ատոմային կլանման սպեկտրները վերլուծական նպատակներով օգտագործվել են 1930-1940 -ական թվականներից ՝ աստղային մթնոլորտում որոշակի տարրեր հայտնաբերելու, ինչպես նաև տարբեր նմուշներում և ներքին մթնոլորտներում սնդիկի պարունակությունը որոշելու համար, բայց դրանք տարածված չէին ՝ հարմար և խիստ զգայուն չափման շրջանի բացակայության պատճառով[3] : 1955 թ.-ին բրիտանացի-ավստրալիացի ֆիզիկոս Ալան Ուոլշը առաջարկել է պարզ և հեշտությամբ կիրառելի մեթոդ ացետիլեն-օդի կրակի մեջ ցողված լուծույթներում տարրերի պարունակության քանակական որոշման համար `հատուկ ընտրողական լամպերից ատոմային գծերի ճառագայթումը կլանելու միջոցով:Այս մեթոդը, որը հանդիսանում է ատոմային կլանման սպեկտրոմետրիայի վերլուծական մեթոդի հիմքը, կանխորոշեց ապագայում մեթոդի զարգացումը[3]:1962-ին Ուոլշի հիմնադրած Techtron-ը թողարկեց աշխարհում առաջին զանգվածային արտադրության AA-2 ատոմային կլանման սպեկտրոմետրը [4] :Սկզբում փոշեկուլը ծառայել է որպես բոց , սկսած 1960-ական թվականներից Բորիս Լիվովն ու Գամս Մասմանը նախընտրում էին կատարելագործված գրաֆիկական տուփը, որը նախատեսված է AAC-ի կողմից առաջարկվող արտադրանքի տեսանկյունից [5] :

Սարքավորումներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ատոմային կլանման վերլուծության սարքեր ատոմային կլանման սպեկտրոմետրերի համար:Դրանք ճշգրիտ, բարձր ավտոմատացված սարքեր են, որոնք ապահովում են վերարտադրելի չափման պայմաններ, ավտոմատ նմուշի ներմուծում և չափման արդյունքների գրանցում[6]:: Այս սարքի հիմնական տարրերն են`լույսի աղբյուրը, որը արտանետում է անալիզի բնորոշ նեղ սպեկտրալ գիծ, ատոմիզատոր տվյալ նյութը ատոմային գոլորշու վերածելու համար,նյութի բնութագրական վերլուծական գիծը և էլեկտրոնային համակարգը մեկուսացնելու սպեկտրալ սարքը, որն անհրաժեշտ է վերլուծական կլանման ազդանշանը հայտնաբերելու, ուժեղացնելու և մշակելու համար[3]։ Նմուշում տարրի պարունակության որոշումն իրականացվում է փորձնականորեն հաստատված ֆունկցիոնալ կախվածության (տրամաչափման գործառույթ) միջոցով `վերլուծական ազդանշանի (կլանում, օպտիկական խտություն) և տեղեկանքի նմուշում տարրի կոնցենտրացիայի միջև:Ստուգաչափման գործառույթը կարող է լինել կամ մաթեմատիկական բանաձև կամ գրաֆիկ[3]։

Ճառագայթման աղբյուր[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ատոմային կլանման սպեկտրոմետրիայում օգտագործվող ճառագայթման աղբյուրների հիմնական պահանջներն են դրանց նեղ գոտին, հաճախականության և ինտենսիվության բարձր կայունությունը,ռեզոնանսային գծերի բարձր ինտենսիվությունը,ցածր աղմուկի մակարդակը,շարունակական ֆոնային ճառագայթման բացակայությունը,ռեզոնանսային գծի վրա սպեկտրալ համընկնումների բացակայությունը և դրա աննշան ինքնալուսացումը, գործառնական ռեժիմը սահմանելու նվազագույն ժամանակը և շողացող մարմնի նվազագույն չափը (գործիքը նեղ վերլուծական գոտիներում կենտրոնացնելու համար)[3]։

Կան լույսի աղբյուրների մի քանի տեսակներ:Առավել հաճախ օգտագործվում են խոռոչային կաթոդային լամպեր,էլեկտրոդազերծող լամպեր և կարգավորվող լազերներ[7]։ Սնամեջ կաթոդային լամպը բաղկացած է գլանաձև խոռոչ ունեցող կաթոդից, որի կողքին կա վոլֆրամի մետաղալար՝ անոդ:Լամպն ինքնին գլանաձև ապակե գլան է, որը լցված է իներտ գազով:Լամպի կաթոդը կազմված է տարրից կամ դրա խառնուրդից, որը որոշվում է վերլուծության ընթացքում:Արդյունքում արտանետվում է պահանջվող ալիքի երկարության լույսը, որը ներծծվում է որոշիչ տարրի ատոմների կողմից ատոմիզատորում[8]:Ամենաերկար ալիքի երկարությունը որոշվում է Cs գծով `852 նմ, ամենափոքրը` As գծով `193,7 նմ,ավելի փոքր ալիքի երկարությունները չեն օգտագործվում ատոմային կլանման վերլուծության մեջ `մթնոլորտային թթվածնի ուժեղ կլանման պատճառով[7]։ Էլեկտրոդազերծ լամպի ներսում ուժեղ էլեկտրամագնիսական դաշտ է ստեղծվում բարձր հաճախականության հոսանք կրող կծիկի միջոցով:Այս տուփի մեջ դրված է քվարցային փոքրիկ ամպուլ, որը պարունակում է անալիզի անկայուն միացություն:Գործողության սկզբունքը նման է սնամեջ կաթոդային լամպի:Այս տեսակի լույսի աղբյուրի հիմնական թերությունը էլեկտրամատակարարման համար լրացուցիչ սարքի անհրաժեշտությունն է `բարձր հաճախականության գեներատորում[7]։ Լարող լազերը որպես ճառագայթման աղբյուրներ օգտագործվում են 1974 թվականից:Այն դրանց օգտագործումը հնարավոր է դարձնում առանց լամպերի մեծ հավաքածուի, քանի որ այդպիսի լազերից մեկը կարող է օգտագործվել բոլոր տարրերի համար, սակայն դրա լայն կիրառումը խոչընդոտում է բարձր գնին[7]։

Պտուտակիչ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Վերլուծության ատոմային կլանման մեթոդը հիմնված է ազատ ատոմների կողմից օպտիկական ճառագայթման կլանման վրա:Շնորհիվ այն բանի, որ վալենտային էլեկտրոնների էներգիաներին համապատասխանող օպտիկական տիրույթում ազատ ատոմները և պոլիատոմային մասնիկները տալիս են տարբեր սպեկտրներ:Հետևաբար, AA սահմանումների համար ամենակարևոր նախապայմանը անալիտի վերափոխումն է ատոմային գոլորշու:Դրա համար օգտագործվում է բարձր ջերմաստիճանի աղբյուր `պտուտակիչ[9]։ Գոյություն ունեն ատոմիզացման երկու հիմնական մեթոդներ, որոնք գործնականում լայնորեն կիրառվում են։

  • կրակոտ
  • էլեկտրաջերմային

Ֆլեյմի ատոմիզացումը բնութագրվում է նրանով, որ բոցը ծառայում է որպես բարձր ջերմաստիճանի աղբյուր:Պտուտակիչը այրիչ է, որի մեջ դյուրավառ գազերը շարունակաբար մատակարարվում են օքսիդացնող նյութերով խառնուրդով:Ատոմային կլանման մեջ ամենատարածվածը խառնուրդի հետևյալ բաղադրություններն են`

  • թեթև գազ - օդ,բոցը `1500-1800 ° С ջերմաստիճանի պայմաններում,
  • ացետիլեն - օդ, բոցը `մինչև 2200-2300 ° С ջերմաստիճանի պայմաններում,
  • ացետիլեն - ազոտի օքսիդ, բարձր ջերմաստիճանի բոց է (մինչև 2900 ° C):

Ացետիլենային օդի բոցն օգտագործվում է ալկալիների և ալկալային հողերի մետաղները, ինչպես նաև Cr, Fe, Co, Ni, Mg, Mo, Sr և ազնիվ մետաղները հայտնաբերելու համար:Նման բոցը ունի բարձր թափանցիկություն 200 նմ-ից ավելի ալիքի երկարության շրջանում, ցածր ներքին արտանետում և ապահովում է ավելի քան 30 տարրերի ատոմիզացման բարձր արդյունավետություն:Դրա մեջ մասամբ իոնացված են միայն ալկալային մետաղները:Ացետիլենի և ազոտի օքսիդի բոցը շատ ավելի բարձր ջերմաստիճան ունի, քանի որ ազոտի օքսիդը ջերմոդինամիկորեն անկայուն միացություն է:Բոցի մեջ այն արագորեն քայքայվում է ՝ ազատելով զգալի լրացուցիչ էներգիա, մինչդեռ օդ-ացետիլենային խառնուրդի այրման ժամանակ ջերմության մի մասը ծախսվում է ազոտի բոցի ջերմաստիճանի տաքացման վրա:Ացետիլենի և N2O-ի բոցը խիստ թափանցիկ են ալիքի ողջ երկարության միջակայքում, որոնք օգտագործվում են ատոմային կլանման վերլուծության մեջ:Դրա հիմնական թերությունները իր ուժեղ ներքին փայլն ու իոնացման բարձր աստիճանն են:Այս երկու տեսակները միասին հնարավորություն են տալիս որոշել մոտ 70 տարր, մինչդեռ գազի այլ խառնուրդների այլ տեսակներ ավելի նեղ կիրառություն ունեն:Օրինակ, պրոպան-օդային բոցը սովորաբար օգտագործվում է միայն ալկալային մետաղների ՝ Cd, Cu, Ag և Zn որոշելու համար[10]։ Էլեկտրատերմային ատոմիզացման մեթոդը մշակվել է Բորիս Լվովի կողմից, որը 1959 թ.-ին նախագծեց առաջին անլռելի փոշիացնողը, իսկ 1961 թ.-ին հրապարակեց տվյալներ դրա վերլուծական կարողությունների վերաբերյալ:Այս մեթոդը բնութագրվում է նրանով, որ փոշիացնողը գրաֆիտային վառարան է (խողովակ 50 մմ երկարությամբ և 4-5 մմ ներքին տրամագծով), որը ջեռուցվում է բարձր էլեկտրական հոսանքով:Անալիտը ներմուծվում է գրաֆիտային էլեկտրոդի վերջի երեսին, որը նստեցրած կաթիլը չորացնելուց հետո պատի կոնաձև անցքով լցվում է նախապես տաքացված գրաֆիտի վառարան:Էլեկտրոդի խողովակի հետ շփման պահին էլեկտրոդի լրացուցիչ ջեռուցում տեղի է ունենում հզոր աղեղային արտանետմամբ, որը վառվում է վառարանում նմուշով և օժանդակ էլեկտրոդով տեղադրված էլեկտրոդի արտաքին վերջի միջև:Արդյունքում, վառարանի ներսում տեղի է ունենում նյութի արդյունավետ փոշիացում:Գրաֆիտի արագ այրումը կանխելու համար խողովակը տեղադրվում է իներտ գազի մթնոլորտում:Ավելի ուշ, Հանս Մասմանը պարզեցրեց գրաֆիտային վառարանի դիզայնը` նրա գրաֆիտային գլանային փչացողը 40 մմ երկարությամբ գլան է, որը բացված է երկու ծայրերում `6 մմ ներքին տրամագծով և 1,5 մմ-ից ոչ ավելի պատի հաստությամբ, իսկ փոշեկուլիչի կենտրոնում կա բացվածք[9][10]։ Լվովի գրաֆիտային կուվետի և Մասմանի վառարանի միջև տարբերությունն այն է, որ Լվովի կառուցման մեջ նյութը գոլորշիացվում է կեղծ էլեկտրոդից դեպի արդեն պահանջվող ջերմաստիճանը տաքացրած խոռոչը, իսկ Մասմանի վառարանում նմուշը դրվում է սառը խողովակի պատին և դրա հետագա գոլորշիացումը տեղի է ունենում պատի ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ:Դա հանգեցրեց որոշակի ճգնաժամի `1970-ականներին էլեկտրատերմային ատոմիզատորների օգտագործման մեջ:Նմուշների կազմի ուժեղ ազդեցության պատճառով որոշման արդյունքների վրա Մասմանի գրաֆիտե վառարանն օգտագործելու դեպքում կար այդ մի կողմը վերացնելու կամ թուլացնելու հստակ միտում:Այնուամենայնիվ, 1977 թվականին Բորիս Լվովը բարելավեց գրաֆիտի վառարանը:Իր նոր նախագծում նմուշները գոլորշիացան վառարանում այն ​​հարթակից, որը ստացել է «Լվովի հարթակ»[10] անվանումը:Ատոմիզացման մեթոդի առավելագույն աշխատանքային ջերմաստիճանը 2600-2700°С է[9]։

Աշխատանքի սկզբունքը[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ատոմային կլանման սպեկտրաչափությունն առավել լայնորեն մշակված է հեղուկների հետ աշխատելու համար:Դրա հիման վրա վերլուծության համար կատարվում են հետևյալ գործողությունները[3]`

  1. Նմուշառում(վերլուծության օբյեկտից վերցվում է նյութի մի մասը, որն առավելագույնս արտացոլում է դրա քիմիական կազմը),
  2. Որոշակի կշռված մասը վերցվում է ամուր նմուշից, որը լուծվում է հարմար լուծիչների մեջ, որպեսզի ուսումնասիրվող տարրը լուծույթի մեջ տեղափոխվի:Հեղուկ նմուշից վերցվում է ֆիքսված մասնաբաժին և վերլուծվում է աշխատանքային լուծույթ `ըստ նույն սկզբունքների,
  3. Պետք է պատրաստել տրամաչափման կորի պահանջվող միջակայքը ծածկող աշխատանքային տրամաչափման լուծումների շարք,
  4. Ատոմային կլանման սպեկտրոմետրը պատրաստվում է գործարկման համար `ուսումնասիրվող տարրի համար օպտիմալ կլանման պայմաններում ազդանշան գրանցելու համար,
  5. Անալիտը ներմուծվում է փչացողի մեջ, ստեղծվում է ատոմային գոլորշու կլանող շերտ և չափվում վերլուծական ազդանշանը,
  6. Ստուգիչ լուծույթները հաջորդաբար ներմուծելով ատոմիզատորի մեջ, ստացվում է տրամաչափման բնութագիր,
  7. Դրա օգտագործմամբ որոշվում է ուսումնասիրվող տարրի կոնցենտրացիան ընտրանքի լուծույթում և բնօրինակ նմուշում։

Դիմում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ատոմային կլանման սպեկտրոմետրիայի մեթոդներն օգտագործվում են գրեթե ցանկացած տեխնիկական կամ բնական օբյեկտի վերլուծության մեջ:AA որոշման ժամանակակից մեթոդները հնարավորություն են տալիս որոշել պարբերական համակարգի գրեթե 70 տարրերի պարունակությունը:Տեխնիկական օբյեկտներից, մետաղներից, համաձուլվածքներից, հանքաքարերի հիդրոմետալուրգիական մշակման արտադրանքներից և այլն, վերլուծվում են ատոմային կլանման սպեկտրոմետրիայով:Օրինակ ՝ արծաթի, կապարի և պղնձի պարունակությունը որոշվում է ոսկու մեջ, հողերում, պարարտանյութերում, բույսերում ՝ ցինկ, երկաթ, մագնեզիում, պղինձ և այլ տարրեր:Այս մեթոդը հաճախ օգտագործվում է կապարի, սնդիկի և բիսմութի որոշման համար կլինիկական և տարբեր կենսաբանական վերլուծություններում (արյուն, արյան շիճուկ և այլն)[11] :

Գրականություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  • Брицке М.Э. Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ. — М.: Химия, 1982. — 224 с.
  • Пупышев А.А. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. — М.: Техносфера, 2009. — 784 с.
  • James W. Robinson, Eileen Skelly Frame, George M. Frame II. Undergraduate Instrumental Analysis. — CRC Press, 2014. — С. 441—505. — 1264 с. — ISBN 9781420061352.

Նշումներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  1. Вергейчик Т.Х. Токсикологическая химия. — М.: МЕДпресс-информ, 2009. — С. 347. — 400 с. — ISBN 5-98322-554-5
  2. Карякин А.В., Грибовская И.Ф. Методы оптической спектроскопии и люминесценции в анализе природных и сточных вод. — М.: Химия, 1987. — С. 101. — 304 с. — ISBN 5-98322-554-5
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Пупышев А.А. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. — М.: Техносфера, 2009. — С. 19—26, 86. — 784 с.
  4. Ермаченко Л.А. Атомно-абсорбционный анализ в санитарно-гигиенических исследованиях. — Чебокс.: Чувашия, 1997. — С. 7. — 207 с.
  5. Кельнер Р., Мерме Ж.-М., Отто М., Видмер Г.М. Аналитическая химия. Проблемы и подходы = Analytical Chemistry. The Approved Text to the FECS Curriculum Analytical Chemistry. — М.: Мир, 2004. — Т. 2. — С. 39—56. — 768 с.
  6. Кнунянц И.Л. Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 408—410. — 623 с.
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 Хавезов И., Цалев Д. Атомно-абсорбционный анализ. — Л.: Химия, 1983. — С. 14—17. — 144 с.
  8. Брицке М.Э. Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ. — М.: Химия, 1982. — С. 108—111. — 224 с.
  9. 9,0 9,1 9,2 Гармаш А.В. Введение в спектроскопические методы анализа. Оптические методы анализа. — М.: ВХК РАН, 1995. — С. 15—22. — 38 с.
  10. 10,0 10,1 10,2 Чегринцев С.Н. Атомно-абсорбционный анализ. — Томск: Изд-во ТПУ, 2014. — С. 12—14, 17—20. — 44 с.
  11. Васильев В.П. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа. — М.: Высшая школа, 1989. — Т. 2. — С. 97—104. — 384 с.