Дуговая и искровая спектроскопия относятся к методам
атомно-эмиссионного анализа, основанным на возбуждении атомов
исследуемого элемента посредством электрического разряда. В этих методах
источником возбуждения служит электрическая дуга или искра, возникающие
между электродами, контактирующими с анализируемым образцом. Высокая
температура разряда приводит к переходу атомов вещества в возбужденное
состояние, при последующем возврате в основное состояние атомы испускают
характерное спектральное излучение.
Ключевые особенности:
- Разряды создают температуры порядка 3000–10 000 К, достаточные для
возбуждения большинства металлов.
- Интенсивность спектральной линии пропорциональна концентрации
соответствующего элемента, что обеспечивает количественный анализ.
- Методы применимы к твердым, жидким и порошкообразным образцам, но
наиболее эффективно — к металлическим сплавам.
Дуговой разряд
Дуговой разряд формируется между двумя электродами, обычно
графитовыми или металлическими, при их непосредственном контакте с
анализируемым материалом. При подаче высокого тока создается непрерывная
дуга, которая локально расплавляет образец, обеспечивая образование
атомарного и ионного паров.
Особенности дугового разряда:
- Стабильность разряда обеспечивает воспроизводимость спектральных
сигналов.
- Дуговой разряд генерирует широкий диапазон температур, позволяющий
возбуждать элементы с различными энергиями ионизации.
- Используется преимущественно для анализа сплавов и крупных
металлических образцов.
- Методы дуговой спектроскопии допускают как качественное, так и
количественное определение элементов, включая микроэлементы при
применении соответствующих методов калибровки.
Искровой разряд
Искровой разряд возникает при периодическом пробое электрического
напряжения между электродами. В отличие от дуги, искровой разряд
характеризуется короткими импульсами высокой температуры и высокой
локальной энергии.
Особенности искрового разряда:
- Продолжительность импульса составляет от нескольких микросекунд до
миллисекунд, температура локально достигает 10 000–15 000 К.
- Искровой разряд эффективен для анализа твердых образцов, включая
порошки и тонкие пленки.
- Высокая дискретность разряда позволяет использовать методы
многократного накопления сигналов для повышения чувствительности.
- Применение высокочастотных импульсов позволяет минимизировать
влияние матрицы образца и улучшить линейность калибровочных кривых.
Измерение и регистрация
спектров
Испускание света от атомов и ионов в разряде регистрируется
спектрометром. В дуговой и искровой спектроскопии применяются как
призменные, так и дифракционные спектрометры. Основными задачами
являются:
- Определение длины волны линии, соответствующей конкретному
элементу.
- Измерение интенсивности спектральной линии, пропорциональной
концентрации элемента.
- Учет возможных спектральных помех и химических эффектов матрицы,
влияющих на точность измерений.
Современные спектрометры оснащаются фотомультипликаторами или
ПЗС-детекторами, что позволяет значительно повысить чувствительность и
разрешение анализа.
Калибровка и количественный
анализ
Для количественного анализа используется построение калибровочных
кривых, основанных на зависимости интенсивности линии от концентрации
элемента. Важнейшими факторами, влияющими на точность, являются:
- Однородность образца и воспроизводимость условий разряда.
- Контроль формы и длины дуги или импульса искры.
- Коррекция фона и учет вторичных эффектов, таких как перенасыщение
линии или самоэкран эффект.
Методы дуговой и искровой спектроскопии позволяют определять элементы
с пределом обнаружения до долей частей на миллион, что делает их
незаменимыми в металлургии, химическом производстве и контроле качества
сплавов.
Преимущества и ограничения
Преимущества:
- Высокая чувствительность к большинству металлов.
- Возможность анализа твердых образцов без предварительного
растворения.
- Широкий диапазон определяемых концентраций.
Ограничения:
- Сильное влияние матричных эффектов на точность.
- Необходимость внимательной подготовки электродов и образцов.
- Ограниченная применимость к элементам с низкой энергией возбуждения
при дуговом разряде.
Дуговая и искровая спектроскопия продолжают оставаться ключевыми
методами в аналитической химии, обеспечивая быстрый и надежный анализ
металлов и их сплавов с высокой точностью и чувствительностью.