Спектральные методы анализа представляют собой совокупность физических методов, основанных на изучении взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Эти методы позволяют определять элементный и молекулярный состав природных и техногенных образцов, устанавливать концентрации элементов в широком диапазоне, а также выявлять особенности их валентного состояния и структурных связей. В геохимии спектральные методы занимают ключевое место благодаря высокой чувствительности, точности и возможности одновременного определения большого числа элементов.
Принцип спектральных методов основан на явлении излучения, поглощения или рассеяния электромагнитных волн атомами и молекулами. Каждый элемент характеризуется уникальным набором энергетических уровней, переходы между которыми сопровождаются испусканием или поглощением квантов света строго определённой длины волны. Этот набор линий образует спектр, который является своеобразным «отпечатком» элемента.
Существует два основных направления спектрального анализа: эмиссионный и абсорбционный. В первом случае исследуется излучение, испускаемое возбужденными атомами, а во втором — поглощение света при переходе атомов из основного состояния в возбужденное. Дополнительно выделяются люминесцентные, рентгеноспектральные и масс-спектрометрические методы, основанные на изучении различных видов взаимодействия излучения с веществом.
Эмиссионные методы применяются для анализа твёрдых, жидких и газообразных образцов, в которых возбуждение атомов или ионов осуществляется электрическим разрядом, плазмой, дугой или искрой. В геохимии широко используется атомно-эмиссионный спектральный анализ (АЭС).
В атомно-эмиссионных спектрах линии элементов имеют строго определённые длины волн, что обеспечивает возможность их качественной идентификации. Интенсивность спектральных линий пропорциональна концентрации элементов в образце, что позволяет проводить количественный анализ.
Особое место занимает индуктивно связанная плазма (ICP-AES). Плазма создаётся в токах высокой частоты и достигает температур около 10 000 К, что обеспечивает полное испарение и ионизацию проб. Метод отличается высокой чувствительностью (до 10⁻⁶–10⁻⁹ г/г), воспроизводимостью и широким диапазоном определяемых элементов, включая редкоземельные, платиновые и актинидные группы.
Атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) основана на измерении поглощения света атомами в газовой фазе. Световой поток, излучаемый лампой с полым катодом, проходит через атомный пар исследуемого элемента, создаваемый в пламени или графитовой печи. Поглощённая энергия соответствует разности уровней атома, что позволяет определить концентрацию элемента.
ААС отличается высокой точностью, особенно при анализе следовых количеств элементов. Для каждого элемента подбирается специфический источник излучения, что обеспечивает селективность метода. В геохимии ААС широко применяется для анализа природных вод, почв, минералов и биогеохимических проб.
Молекулярные спектры сложнее атомных, поскольку связаны с переходами не только электронного, но и колебательного и вращательного уровней. Наиболее важные направления молекулярного спектрального анализа — инфракрасная (ИК), ультрафиолетовая (УФ) и рамановская (комбинационного рассеяния) спектроскопия.
ИК-спектроскопия используется для определения состава и структуры соединений по характеристическим полосам поглощения, связанным с колебаниями химических связей. Этот метод особенно ценен при изучении органического вещества, водных растворов и минералов, содержащих функциональные группы (OH⁻, CO₃²⁻, SO₄²⁻ и др.).
УФ-спектроскопия позволяет анализировать соединения, содержащие π-связи и сопряжённые системы, а также выявлять ионы переходных металлов.
Рамановская спектроскопия дополняет ИК-анализ, поскольку активные в ИК-области колебания часто неактивны в спектрах комбинационного рассеяния и наоборот. Этот метод особенно эффективен для идентификации кристаллохимических форм минералов и фазовых превращений.
Рентгеновская спектроскопия основана на возбуждении внутренних электронных оболочек атомов. Переходы электронов с внешних на внутренние уровни сопровождаются излучением рентгеновских квантов, длины волн которых строго индивидуальны для каждого элемента.
К основным разновидностям относятся рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) и рентгеноэмиссионная спектроскопия (РЭС).
РФА является универсальным методом для анализа твёрдых и порошкообразных образцов без их разрушения. Он обеспечивает определение элементов от натрия до урана в концентрациях от долей процента до десятков ppm.
РЭС используется для исследования электронного строения элементов и химических связей в соединениях. Современные энергодисперсионные и волноводисперсионные спектрометры позволяют получать высокоточные результаты в сочетании с микрозондовыми и электронно-микроскопическими исследованиями.
Масс-спектрометрия (МС) — один из наиболее точных методов определения элементного и изотопного состава. Принцип метода основан на ионизации атомов и молекул и разделении ионов по соотношению массы к заряду в электрическом и магнитном полях.
В геохимии применяются различные разновидности МС: термоионная (TIMS), индуктивно связанная плазменная (ICP-MS), вторично-ионная (SIMS) и лазерная абляционная (LA-ICP-MS).
ICP-MS сочетает высокую чувствительность с широким диапазоном определяемых элементов и возможностью изотопного анализа. SIMS позволяет исследовать распределение элементов на микроуровне и проводить послойное сканирование поверхности. TIMS используется для высокоточного изотопного датирования (Rb–Sr, U–Pb, Sm–Nd систем).
Спектральные методы анализа занимают центральное место в геохимических исследованиях. Они позволяют:
Благодаря высокой чувствительности и быстродействию спектральные методы обеспечивают возможность обработки большого числа проб и построения многомерных геохимических моделей. Их сочетание с современными аналитическими системами, автоматизированными пробоподготовительными комплексами и вычислительными алгоритмами делает спектральный анализ основным инструментом современной геохимии.