Spektraalanalüüs on meetodite kogum objekti koostise kvalitatiivseks ja kvantitatiivseks määramiseks, mis põhineb aine ja kiirguse vastastikmõju spektrite uurimisel, sealhulgas elektromagnetilise kiirguse, akustiliste lainete, elementaarosakeste massi- ja energiajaotuse spektrite uurimisel. , jne.
Sõltuvalt analüüsi eesmärkidest ja spektritüüpidest eristatakse mitmeid spektraalanalüüsi meetodeid:
Emissioonispektraalanalüüs on füüsikaline meetod, mis põhineb tugevate ergastusallikate (elektrikaar, kõrgepingesäde) mõjul tekkivate analüüsitava aine aurude emissioonispektrite (emissiooni- või kiirgusspektrite) uurimisel; See meetod võimaldab määrata aine elementaarset koostist, st hinnata, millised keemilised elemendid sisalduvad antud aine koostises.
Leekspektrofotomeetria ehk leekfotomeetria, mis on emissioonispektraalanalüüsi liik, põhineb pehmete ergastusallikate mõjul tekkivate analüüsitava aine elementide emissioonispektrite uurimisel. Selle meetodi puhul pihustatakse analüüsitav lahus leeki. See meetod võimaldab hinnata peamiselt leelis- ja leelismuldmetallide sisaldust analüüsitavas proovis, aga ka mõningaid teisi elemente, näiteks galliumi, indiumi, talliumi, plii, mangaani, vase, fosfori sisaldust.
Märge. Lisaks leekemissioonifotomeetriale kasutatakse ka neeldumisfotomeetriat, mida nimetatakse ka avõiriaks. See põhineb leegigaaside vabade metalliaatomite võimel neelata valgusenergiat igale elemendile iseloomulikel lainepikkustel. Selle meetodiga saab määrata antimoni, vismuti, seleeni, tsinki, elavhõbedat ja mõningaid muid elemente, mida ei saa leegikiirguse fotomeetria abil määrata.
Absorptsioonspektroskoopia põhineb aine neeldumisspektrite uurimisel, mis on selle individuaalne omadus. On olemas spektrofotomeetriline meetod, mis põhineb neeldumisspektri määramisel või valguse neeldumise mõõtmisel (nii ultraviolettkiirguses kui ka spektri nähtavas ja infrapuna piirkonnas) rangelt määratletud lainepikkusel (monokromaatiline kiirgus), mis vastab neeldumiskõvera maksimumile. antud uuritava aine kohta, samuti fotokolorimeetrilist meetodit, mis põhineb neeldumisspektri määramisel või valguse neeldumise mõõtmisel spektri nähtavas osas.
Erinevalt spektrofotomeetriast kasutab fotokolorimeetriline meetod "valget" valgust või "valget" valgust, mis on eelnevalt läbinud lairibafiltrid.
Analüüsimeetod Ramani spektrite abil. Meetod kasutab nähtust, mille avastasid samaaegselt Nõukogude füüsikud G. S. Landsberg ja L. I. Mandelstam ning India füüsik C. V. Raman. Seda nähtust seostatakse monokromaatilise kiirguse neeldumisega aine poolt ja sellele järgneva uue kiirguse emissiooniga, mis erineb neelduvast lainepikkusest.
Turbidimeetria põhineb tahke aine värvimata suspensioonis neeldunud valguse intensiivsuse mõõtmisel. Hägususe mõõtmisel mõõdetakse lahuses neeldunud või läbi selle läbinud valguse intensiivsust samamoodi nagu värviliste lahuste fotokolorimeetria puhul.
Nefelomeetria põhineb tahke aine värvilisest või värvimata suspensioonist (teatud keskkonnas hõljuva sete) peegeldunud või hajutatud valguse intensiivsuse mõõtmisel.
Luminestsents- ehk fluorestsentsanalüüsi meetod põhineb ultraviolettkiirtega kiiritamisel ainete poolt kiiratava nähtava valguse intensiivsuse (fluorestsentsi) mõõtmisel.
10) Optiliste analüüsimeetodite hulka kuuluvad ka refraktomeetriline meetod, mis põhineb murdumisnäitaja mõõtmisel, ja polaromeetriline meetod, mis põhineb polarisatsioonitasandi pöörlemise uurimisel.
Tumedaid jooni spektriribades on märgatud juba pikka aega, kuid nende joonte esimene tõsine uurimine võttis ette alles 1814. aastal Joseph Fraunhofer. Tema auks nimetati efekti "Fraunhoferi joonteks". Fraunhofer tegi kindlaks liinide positsioonide stabiilsuse, koostas nendest tabeli (kokku luges ta 574 rida) ja määras igaühele tähtnumbrilise koodi. Vähem oluline polnud ka tema järeldus, et jooned ei ole seotud ei optilise materjali ega maa atmosfääriga, vaid on päikesevalguse loomulik tunnus. Ta avastas sarnased jooned tehisvalgusallikates, aga ka Veenuse ja Siiriuse spektrites.
Peagi sai selgeks, et naatriumi juuresolekul tekkis alati üks selgemaid jooni. 1859. aastal jõudsid G. Kirchhoff ja R. Bunsen pärast mitmeid katseid järeldusele: igal keemilisel elemendil on oma ainulaadne joonspekter ja taevakehade spektrist saab teha järeldusi nende aine koostise kohta. Sellest hetkest alates ilmus teadusesse spektraalanalüüs, võimas meetod keemilise koostise kaugmääramiseks.
Meetodi testimiseks korraldas Pariisi Teaduste Akadeemia 1868. aastal ekspeditsiooni Indiasse, kus oli tulemas täielik päikesevarjutus. Seal avastasid teadlased: kõik tumedad jooned varjutuse hetkel, mil emissioonispekter asendas päikesekrooni neeldumisspektri, muutusid, nagu ennustati, tumedal taustal heledaks.
Järk-järgult hakati selgitama iga liini olemust ja nende seost keemiliste elementidega. 1860. aastal avastasid Kirchhoff ja Bunsen spektraalanalüüsi abil tseesiumi ja 1861. aastal rubiidiumi. Ja heelium avastati Päikeselt 27 aastat varem kui Maalt (vastavalt 1868 ja 1895).
Toimimispõhimõte
Iga keemilise elemendi aatomitel on rangelt määratletud resonantssagedused, mille tulemusena nad kiirgavad või neelavad valgust just nendel sagedustel. See viib selleni, et spektroskoopis on spektritel nähtavad jooned (tumedad või heledad) igale ainele iseloomulikes teatud kohtades. Joonte intensiivsus oleneb aine kogusest ja olekust. Kvantitatiivse spektraalanalüüsi puhul määratakse uuritava aine sisaldus spektrites olevate joonte või ribade suhtelise või absoluutse intensiivsusega.
Optilist spektraalanalüüsi iseloomustab teostamise suhteline lihtsus, analüüsiks keeruka proovi ettevalmistamise puudumine ja suure hulga elementide analüüsimiseks vajalik väike kogus ainet (10-30 mg).
Aatomispektrid (absorptsioon või emissioon) saadakse aine üleviimisel auruolekusse, kuumutades proovi temperatuurini 1000-10000 °C. Juhtivate materjalide emissioonianalüüsis kasutatakse aatomite ergastamise allikana sädet või vahelduvvoolukaare; sel juhul asetatakse proov ühe süsinikelektroodi kraatrisse. Lahuste analüüsimiseks kasutatakse laialdaselt erinevate gaaside leeke või plasmasid.
Rakendus
Viimasel ajal on enim levinud spektraalanalüüsi emissiooni- ja massispektromeetrilised meetodid, mis põhinevad aatomite ergastamisel ja nende ioniseerimisel induktsioonilahenduste argooniplasmas, aga ka lasersädemes.
Spektraalanalüüs on tundlik meetod ja seda kasutatakse laialdaselt analüütilises keemias, astrofüüsikas, metallurgias, masinaehituses, geoloogilises uurimistöös ja muudes teadusharudes.
Signaalitöötlusteoorias tähendab spektraalanalüüs ka signaali (näiteks heli) energiajaotuse analüüsi üle sageduste, lainearvude jne.
Seitsmeteistkümnendal sajandil, mis tähistab mis tahes füüsikalise suuruse kõigi väärtuste kogumit. Energia, mass, optiline kiirgus. Just viimast peetakse sageli silmas, kui räägime valguse spektrist. Täpsemalt on valguse spekter erineva sagedusega optilise kiirguse ribade kogum, millest mõnda näeme ümbritsevas maailmas iga päev, samas kui mõned neist on palja silmaga kättesaamatud. Sõltuvalt inimsilma tajumisvõimest jaguneb valgusspekter nähtavaks ja nähtamatuks osaks. Viimane omakorda puutub kokku infrapuna- ja ultraviolettvalgusega.
Spektri tüübid
Samuti on erinevat tüüpi spektreid. Neid on kolm, olenevalt kiirguse intensiivsuse spektraaltihedusest. Spektrid võivad olla pidevad, joonelised või triibulised. Spektri tüübid määratakse kasutades
Pidev spekter
Pideva spektri moodustavad kõrge temperatuurini kuumutatud tahked ained või suure tihedusega gaasid. Tuntud seitsmevärviline vikerkaar on pideva spektri otsene näide.
Joonspekter
Esitab ka spektritüüpe ja pärineb mis tahes ainest, mis on gaasilises aatomis. Siinkohal on oluline märkida, et see asub aatomis, mitte molekulis. See spekter tagab aatomite äärmiselt madala interaktsiooni üksteisega. Kuna vastastikmõju puudub, kiirgavad aatomid püsivalt sama pikkusega laineid. Sellise spektri näide on kõrge temperatuurini kuumutatud gaaside hõõgumine.
Ribaspekter
Triibuline spekter esindab visuaalselt üksikuid ribasid, mis on selgelt piiritletud üsna tumedate intervallidega. Veelgi enam, igaüks neist ribadest ei ole rangelt määratletud sagedusega kiirgus, vaid koosneb suurest hulgast üksteise lähedal asuvatest valgusjoontest. Selliste spektrite näide, nagu joonspektrite puhul, on aurude hõõgumine kõrgel temperatuuril. Neid ei loo aga enam aatomid, vaid molekulid, millel on ülitihe ühisside, mis sellise kuma tekitab.
Neeldumisspekter
Kuid spektritüübid ei lõpe sellega. Lisaks on veel üks tüüp, mida tuntakse neeldumisspektrina. Spektraalanalüüsis on neeldumisspekter tumedad jooned pideva spektri taustal ja sisuliselt väljendab neeldumisspekter sõltuvust aine neeldumiskiirusest, mis võib olla enam-vähem kõrge.
Kuigi neeldumisspektrite mõõtmiseks on olemas lai valik eksperimentaalseid lähenemisviise. Levinuim on katse, mille käigus lastakse tekkiv kiirguskiir läbi jahutatud (nii et ei tekiks osakeste vastasmõju ja seega hõõguvat) gaasi, mille järel määratakse seda läbiva kiirguse intensiivsus. Ülekantud energiat saab hästi kasutada neeldumise arvutamiseks.
Spektraalanalüüs jaguneb mitmeks sõltumatuks meetodiks. Nende hulgas on: infrapuna- ja ultraviolettspektroskoopia, aatomabsorptsioon, luminestsents- ja fluorestsentsanalüüs, peegeldus- ja Ramani spektroskoopia, spektrofotomeetria, röntgenspektroskoopia, aga ka mitmed muud meetodid.
Neeldumisspektri analüüs põhineb elektromagnetkiirguse neeldumisspektrite uurimisel. Emissioonispektraalanalüüs viiakse läbi erinevatel viisidel ergastatud aatomite, molekulide või ioonide emissioonispektrite abil.
Aatomiemissiooni spektraalanalüüs
Spektraalanalüüsi nimetatakse sageli ainult aatomiemissiooni spektraalanalüüsiks, mis põhineb vabade aatomite ja ioonide emissioonispektrite uurimisel gaasifaasis. See viiakse läbi lainepikkuste vahemikus 150-800 nm. Uuritava aine proov viiakse kiirgusallikasse, misjärel toimub selles molekulide aurustamine ja dissotsieerumine, samuti tekkivate ioonide ergastumine. Need kiirgavad kiirgust, mille salvestab spektraalseadme salvestusseade.
Spectraga töötamine
Proovide spektreid võrreldakse tuntud elementide spektritega, mis on leitavad vastavatest spektrijoonte tabelitest. Nii määratakse analüüsitava aine koostis. Kvantitatiivne analüüs hõlmab antud elemendi kontsentratsiooni analüüdis. Seda tunneb ära signaali suuruse järgi, näiteks fotoplaadil olevate joonte mustumise astme või optilise tiheduse järgi või valgusvoo intensiivsuse järgi fotoelektrilisel vastuvõtjal.
Spektri tüübid
Pideva kiirgusspektri annavad tahkes või vedelas olekus ained, aga ka tihedad gaasid. Sellises spektris pole katkestusi, selles on esindatud igasuguse pikkusega lained. Selle iseloom ei sõltu mitte ainult üksikute aatomite omadustest, vaid ka nende vastastikmõjust.
Joone emissioonispekter on iseloomulik gaasilises olekus olevatele ainetele, samas kui aatomid peaaegu ei suhtle üksteisega. Fakt on see, et ühe keemilise elemendi eraldatud aatomid kiirgavad rangelt määratletud lainepikkusega laineid.
Kui gaasi tihedus suureneb, hakkavad spektrijooned laienema. Sellise spektri jälgimiseks kasutatakse gaasilahenduse hõõgumist torus või leegis oleva aine auru. Kui valge valgus lastakse läbi mittekiirgava gaasi, tekivad allika pideva spektri taustal neeldumisspektris tumedad jooned. Gaas neelab kõige intensiivsemalt nende lainepikkustega valgust, mida ta kuumutamisel kiirgab.
Alates "spektraalanalüüsi" avastamisest on selle mõiste ümber olnud palju vaidlusi. Esiteks spektraalanalüüsi füüsikaline põhimõte tähendas meetodit proovi elementaarse koostise tuvastamiseks vaadeldavast spektrist, mis oli ergastatud mõnes kõrge temperatuuriga leegiallikas, sädemes või kaares.
Hiljem hakati spektraalanalüüsi mõistma kui teisi analüütilise uurimise ja spektrite ergastamise meetodeid:
- Ramani hajumise meetodid,
- neeldumis- ja luminestsentsmeetodid.
Lõpuks avastati röntgen- ja gammaspektrid. Seetõttu on spektraalanalüüsist rääkides õige mõelda kõigi olemasolevate meetodite tervikut. Ent sagedamini kasutatakse emissioonimeetodite mõistmisel spektri järgi tuvastamise fenomeni.
Klassifitseerimismeetodid
Teine klassifitseerimisvõimalus on spektrite jagamine molekulaarseteks (proovi molekulaarse koostise määramiseks) ja elementaarseteks (aatomkoostise määramiseks) uuringuteks.
Molekulaarne meetod põhineb neeldumise, Ramani hajumise ja luminestsentsi spektrite uurimisel; aatomikoostis määratakse kuumaveeallikate ergastusspektritest (molekulid peamiselt hävivad) või röntgenspektri uuringute põhjal. Kuid selline klassifikatsioon ei saa olla range, sest mõnikord langevad mõlemad meetodid kokku.
Spektraalanalüüsi meetodite klassifikatsioon
Lähtuvalt probleemidest, mida ülalkirjeldatud meetoditega lahendatakse, jagatakse spektrite uurimine meetoditeks, mida kasutatakse sulamite, gaaside, maakide ja mineraalide, valmistoodete, puhaste metallide jms uurimiseks. Igal uuritud objektil on oma omadused ja standardid. Spektrianalüüsi kaks peamist suunda:
- Kvalitatiivne
- Kvantitatiivne
Mida nende käigus uuritakse, kaalume edasi.
Spektraalanalüüsi meetodite skeem
Kvalitatiivne spektraalanalüüs
Kvalitatiivse analüüsi eesmärk on teha kindlaks, millistest elementidest analüüsitav proov koosneb. On vaja saada mõnes allikas ergastatud proovi spekter ja tuvastatud spektrijoonte põhjal määrata, milliste elementide hulka need kuuluvad. See teeb selgeks, millest valim koosneb. Kvalitatiivse analüüsi raskuseks on spektrijoonte suur hulk analüütilisel spektrogrammil, mille dekodeerimine ja tuvastamine on liiga töömahukas ja ebatäpne.Kvantitatiivne spektraalanalüüs
Kvantitatiivse spektraalanalüüsi meetod põhineb asjaolul, et analüütilise joone intensiivsus suureneb koos määratava elemendi sisalduse suurenemisega proovis. See sõltuvus põhineb paljudel teguritel, mida on raske numbriliselt arvutada. Seetõttu on praktiliselt võimatu teoreetiliselt luua seost joone intensiivsuse ja elementide kontsentratsiooni vahel.
Seetõttu tehakse sama spektrijoone intensiivsuse suhtelisi mõõtmisi, kui määratava elemendi kontsentratsioon muutub. Seega, kui ergastamise ja spektrite salvestamise tingimused jäävad muutumatuks, on mõõdetud kiirgusenergia võrdeline intensiivsusega. Selle energia (või sellest sõltuva väärtuse) mõõtmine annab meile empiirilise seose, mida vajame mõõdetud väärtuse ja elemendi kontsentratsiooni vahel proovis.
Kirchhoff ja Bunsen proovisid esimest korda spektraalanalüüsi 1859. aastal. Need kaks lõid spektroskoopi, mis nägi välja nagu ebakorrapärase kujuga toru. Ühel pool oli auk (kollimaator), kuhu langesid uuritavad valguskiired. Toru sees oli prisma, mis suunas kiired kõrvale ja suunas need teise torus oleva augu poole. Väljundil nägid füüsikud valguse spektriks lagunevat.
Teadlased otsustasid läbi viia eksperimendi. Olles toa pimedaks muutnud ja akna paksude kardinatega katnud, süütasid nad kollimaatori pilu lähedal küünla ning võtsid seejärel erinevatest ainetest tükid ja viisid need küünlaleeki, jälgides, kas spekter muutus. Ja selgus, et iga aine kuumad aurud andsid erinevad spektrid! Kuna prisma eraldas kiired rangelt ega lasknud neil üksteisega kattuda, oli võimalik ainet saadud spektrist täpselt tuvastada.
Kirchhoff analüüsis seejärel Päikese spektrit, avastades, et selle kromosfääris on teatud keemilisi elemente. Sellest sai alguse astrofüüsika.
Spektraalanalüüsi tunnused
Spektraalanalüüsi tegemiseks on vaja väga väikest kogust ainet. See meetod on äärmiselt tundlik ja väga kiire, mis võimaldab seda mitte ainult kasutada väga erinevate vajaduste jaoks, vaid muudab selle mõnikord ka lihtsalt asendamatuks. On kindlalt teada, et iga perioodiline tabel kiirgab spetsiaalset spektrit, ainult tema jaoks, seetõttu on õigesti tehtud spektraalanalüüsi korral viga peaaegu võimatu teha.
Spektraalanalüüsi tüübid
Spektraalanalüüs võib olla aatom- või molekulaarne. Aatomanalüüsi abil saab vastavalt avaldada aine aatomikoostise ja molekulaaranalüüsi abil molekulaarkoostise.
Spektri mõõtmiseks on kaks võimalust: emissioon ja neeldumine. Emissioonispektraalanalüüsi tehakse uurides, millist spektrit kiirgavad valitud aatomid või molekulid. Selleks tuleb neile energiat anda ehk erutada. Vastupidi, neeldumisanalüüs viiakse läbi objektidele suunatud elektromagnetilise uuringu neeldumisspektri abil.
Spektraalanalüüsi abil saab mõõta ainete, osakeste või isegi suurte füüsiliste kehade (näiteks kosmoseobjektide) paljusid erinevaid omadusi. Seetõttu on spektraalanalüüs jagatud erinevateks meetoditeks. Konkreetse ülesande jaoks vajaliku tulemuse saamiseks peate õigesti valima seadmed, spektri uurimise lainepikkuse ja ka spektripiirkonna enda.