Описание проекта

Широко известны способы анализа элементного состава вещества, основанные на измерении интенсивности электромагнитного излучения, испускаемого атомным паром определяемого элемента в пламени. Эмиссионная фотометрия пламени (ЭФП) один из старейших методов количественного элементного анализа по атомным спектрам испускания. Метод хорошо отработан и отличается низкой стоимостью и удобством эксплуатации.

Прежде всего, ЭФП является незаменимым методом определения щелочных металлов – лития, натрия, калия, рубидия, которые, благодаря низким значениям энергии возбуждения, имеют резонансные линии в видимой области спектра. Эти линии проявляют высокую интенсивность даже в таких низкотемпературных атомизаторах, как пламя метан-воздух и пропан-бутан – воздух. С хорошими метрологическими характеристиками в пламени ацетилен-воздух можно определять и щелочноземельные металлы – магний, кальций, стронций и барий. При низких концентрациях величина аналитического сигнала может оказаться ниже теоретического значения из-за процесса ионизации, особенно это значимо для элементов с низкими значениями энергии ионизации при использовании высокотемпературного пламени.

В области высоких концентраций отклонения от линейности связаны с процессом самопоглощения: излучение, испускаемое атомами определяемого элемента в наиболее горячей, центральной, зоне пламени, поглощается атомами этого же элемента, которые находятся в периферической, «холодной», зоне пламени. Кроме того, возможны и другие типы помех и мешающих влияний. На практике часто линейность между концентрацией определяемого элемента и интенсивностью светового потока наблюдается только в определенном диапазоне концентраций.

Способ ЭФП для определения других элементов в настоящее время признается нецелесообразным из-за:

•  высоких пределов обнаружения;
•  наличия спектральных и химических помех.

Первое обстоятельство наиболее сложно преодолимо для пламенных методов. Данные обстоятельства привели к тому, что в настоящее время метод ЭФП теряет свои позиции и вытесняется современными методами, в первую очередь, методами, использующими индуктивно связанную плазму.

Известны довольно много технических решений (патенты РФ № 2677591, 2157988, 2655129, 2319157), где для определения элементного состава веществ применяют плазму.

Однако процесс атомизации в неравновесной плазме малоэффективен, так как в такой плазме основная доля энергии вкладывается в свободные электроны, которые при достигаемых средних энергиях 1 – 10 эВ обладают малой эффективностью передачи энергии атомам и молекулам конденсированного вещества с переводом их в газовую фазу (атомизация) (О.Н. Горшков, А.Н. Михайлов, В.К. Васильев «Применение методов резерфордовского обратного рассеяния ионов и ионно-индуцированного рентгеновского излучения для анализа элементного состава и структурного совершенства твердых тел», Нижний Новгород, 2007г.).

Не вдаваясь в физические подробности, можно сказать, что, плазма плохо атомизирует, а пламя плохо возбуждает.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ определения концентрации элементов в растворе по патенту РФ № 2364856, согласно которому уменьшение погрешности измерений и уменьшение сложности и времени измерений достигается тем, что устанавливают фиксированные параметры газового пламени, которые устанавливаются перед проведением измерений и поддерживаются при их проведении с течением времени, а также для ряда применений контролируют изменение этих параметров при вводе анализируемого раствора в пламя газовой горелки.

Недостатком указанного способа является высокие пределы обнаружения, так как было сказано выше, термическое возбуждение электронных уровней при температурах ниже 1000^оС малоэффективно. Кроме этого в данном способе существует необходимость растворения твердых веществ в жидкостях на стадии пробоподготовки для введения их в область пламени, что увеличивает трудоемкость подготовки к анализу. Также данный способ может быть применен для анализа довольно узкого круга веществ, в основном щелочных металлов.

Мы создали способ пламенно - плазменного анализа элементного состава вещества, имеющего высокие пределы обнаружения, позволяющего анализировать вещества разного агрегатного состава и расширяющего диапазон анализируемых веществ.

Основная особенность заключается в том, что нагревание исследуемого вещества проводят до температуры его атомизации (испарения), затем в зоне нагрева вещества формируют неравновесную электроразрядную плазму с параметром Е/N в диапазоне от 20 до 200 Таунсендов и регистрируют значение спектров излучения. Нагревание вещества осуществляют газовой горелкой или высокотемпературным омическим нагревателем до температуры от 500 до 1500^оС в зависимости от летучести исследуемого вещества.

Способы анализа элементного состава веществ, совмещающие нагревание и воздействие плазменным разрядом из имеющихся источников информации ранее не выявлены.

Существенным отличием предлагаемого технического решения является совмещение пламени нагревателя пробы с плазмой тлеющего разряда. Термический нагрев эффективно атомизирует (испаряет, диспергирует) растворенные соли или твердые пробы, а плазма легко их возбуждает.

Дополнительным преимуществом тлеющего разряда является возможность селективного выделения энергии в непосредственной близости от летящих в плазме твердых частиц или аэрозолей. В этом случае концентрация электрического поля вблизи частиц приводит к преимущественному созданию плазмы вблизи названных частиц, что приводит к их большему разогреву по сравнению с окружающей средой и, соответственно, к более эффективной атомизации исследуемого вещества. Данное обстоятельство способствует более быстрому их испарению и возможности минимизации помех, свойственных классическим пламенным спектрометрам

В рассматриваемом случае атомизация и возбуждение спектральных линий могут быть разнесены в пространстве и организованы в более оптимальных для каждого процесса условиях. Наличие дополнительного энергоклада в среду вследствие горения пламени позволяет облегчить условия организации тлеющего разряда и возложить на него в первую очередь функцию создания электронновозбужденных молекул и атомов веществ, в испарении которых основную роль играет нагрев в пламени.

Если про повышение эффективности атомизации уже сказано, то повышение эффективности излучения аналитических линий при пониженной температуре и пониженной концентрации электронов требует пояснения. Дело в том, что играющее основную роль в рассматриваемых условиях Доплеровское уширение прямо пропорционально температуре. Уширение понижает спектральный контраст исследуемой линии, повышает количество шумов в нее попадающих и приводит к дополнительному перекрыванию ее с другими линиями.

Новый способ реализован в функциональном лабораторном макете, доказана эффективность способа.

Презентации

Прибор для элементного анализа веществ методом ЭППФ

Пульс