Аргоновая плазма

28 Июля в 23:38 4188 0


Для прямого анализа твердых проб используют в основном искру и дугу. Исторически первым источником плазмы была вольтова дуга. Она представляет собой устойчивый электрический разряд с высокой плотностью тока и низким напряжением горения между двумя или более электродами. В дуге средней силы тока напряжение на электродном промежутке достигает 50 В, а сила тока — 30 А. Чаще всего в качестве электродов используют дешевый графит, обладающий отличными электропроводностью и термической устойчивостью (а также относительно высокой химической). Поскольку металл во время разряда плавится и образует глобулы, дугу часто называют глобулярной.

В России в середине прошлого века представителем этого класса приборов был кварцевый спектрограф. Однако в нем сложно было стабилизировать условия возбуждения, поэтому в настоящее время этот источник практически не применяют.

Искра представляет собой перемежающийся, пульсирующий электрический разряд высокого напряжения и относительно низкой или средней силы тока между, минимум, двумя электродами. Один электрод представляет собой проводящую пробу, а второй — противоэлектрод, обычно из вольфрама. Искра отличается от дуги длительностью разряда: у искрового источника она составляет несколько микросекунд. Для наполнения искровой установки вместо воздуха часто используют аргон, который прозрачен для УФ-излучения и не реагирует с электродами (рис. 1). В настоящее время приборы с дуговым и искровым источником используют при специальных анализах, например, в металлургии.

Схемы глобулярной дуги и искровой системы

Рис. 1. Схемы глобулярной дуги и искровой системы

В современной атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС) в качестве источника излучения чаще всего применяют пламена и плазму. Оба эти источника подходят главным образом для анализа растворов.

Пламена являются старейшим источником излучения в АЭС. Их получают с помощью экзотермической реакции между горючим газом (ацетилен, пропан) и газом-окислителем (закись азота N2O, кислород O2, воздух). Температура пламен может достигать 3300 К в смеси ацетилен-кислород, с воздухом она не превышает 2500 К. Смесь пропан-воздух обеспечивает температуру 2200 К. Спектрометрию пламен используют, как правило, в качестве дешевого метода определения элементов 1 и 2 групп.

В настоящее время эмиссионную спектрометрию пламен повсеместно заменили пламенной атомно-абсорбционной спектрометрией (ААС). Замена источника возбуждения графитовой печью (электротермическое возбуждение) вместо пламен (ГП-ААС) значительно увеличила чувствительность исследования, уступающего по этому показателю только ИСП-МС, и привела к его широкому распространению. Приборы для ААС относительно дешевы и выпускаются многими компаниями. Ежегодно в мире продают около 4 тысяч приборов для ААС.

Плазма — это ионизированный нейтральный (то есть состоящий из одинакового числа положительных частиц — ионов и отрицательных — электронов) газ. Обычно плазму получают из инертного газа. В отличие от пламен, для получения плазмы и ее поддержания в стабильном состоянии необходим подвод энергии извне в виде электрического поля. Часть этой энергии плазма передает пробе, вызывая ее атомизацию и возбуждение.

В зависимости от типа электрического поля различают 3 вида плазмы:

  • плазма постоянного тока (ППТ), образуемая постоянным потенциалом на электродах;
  • индуктивно-связанная плазма (ИСП), образуемая высокочастотным полем в катушке;
  • микроволновая плазма (МГТ), образуемая микроволновым полем, наложенным на кювету.

Наиболее широко используют ИСП (ICP). Возбуждение в приборах ИСП вызывает высокочастотный индукционный разряд в аргоне при атмосферном давлении, поэтому плазма образуется и поддерживается с очень устойчивыми параметрами. Мощность генератора для работы с аргоновой плазмой небольшая, порядка 0,8-1,50 кВт. Более мощные генераторы (до 10 кВт) используют в приборах, где, кроме аргона, применяют другие молекулярные газы (чаще всего азот), однако аналитических преимуществ повышение мощности генератора не дает, а стоимость прибора значительно увеличивает.

Обычно для получения ВЧ-поля в индукционной катушке применяют частоту 27,12 МГц. Сравнительно многие приборы также оборудуют более компактными генераторами на частоте 40-50 МГц. Но увеличение частоты работы генератора не приводит к повышению точности анализа. Важна стабильность плазмы, которая поддерживается независимо от частоты. В приборах ИСП электродов, которые во всех других типах приборов загрязняют плазму, нет.

Плазмообразующим газом в подавляющем большинстве случаев служит дешевый благородный газ аргон. Можно использовать также гелий, образующий плазму с более высокой температурой, однако он значительно дороже, поэтому в настоящее время от его применения практически отказались. Как любой благородный газ, аргон является химически инертным одноатомным простым веществом с высоким потенциалом ионизации (15,76 эВ). Поэтому: 1. он испускает простой спектр в отличие от пламен, образующих молекулярные спектры; 2. плазма возбуждает и ионизирует большинство элементов таблицы Менделеева; 3. устойчивых соединений между аргоном и остальными элементами не образуется. Однако некоторые неустойчивые молекулярные возбужденные или ионизированные соединения в плазме все же образуются, поэтому получаемые результаты приходится корректировать.

Для образования плазмы в современной аппаратуре используют специальную горелку из термостойкого и прозрачного кварца, плазма в которой имеет форму факела. Такая форма обеспечивает электрическую изоляцию между плазмой и катушкой, а также ограничивает и стабилизирует плазму для ввода пробы. Благодаря природе ВЧ-поля и результирующему скин-эффекту энергия ВЧ-генератора выделяется главным образом во внешней части плазмы. Вдоль оси факела образуется зона, в которой вязкость плазмы ниже (центральный канал), и в нее вводят пробу. Горелка состоит из трех концентрических трубок: внешней — для ограничения и изоляции плазмы, средней — для ускорения движения плазмообразующего газа, вводимого между средней и внешней трубками, и инжекторной — для ввода пробы (рис. 2).

Горелка и факел ИСП

Рис. 2. Горелка и факел ИСП

Образуемая индукционная аргоновая плазма имеет температуру порядка 6-10 000 К. Когда в нее подают раствор аналита, растворитель практически мгновенно испаряется, а атомы присутствующих в растворе элементов ионизируются и возбуждаются. Возбужденные атомы и ионы образуют излучение, измеряемое после развертки спектра с помощью решеток в приборах разных фирм разными способами.

Прежде в приборах для ИСП-ОЭС применяли фотоумножители (ФЭУ), но в последние годы чаще используют твердотельные детекторы — диодные матрицы и линейки (панорамные детекторы). Последние позволяют анализировать главные линии данного элемента одновременно. Это повышает помехоустойчивость анализа, увеличивая возможность выбора линий и снижая матричные эффекты. Приборы для ИСП-ОЭС использовали в медицине полтора десятка лет, однако в последние годы их по всему миру заменяют па приборы ИСП-МС, обеспечивающие на 4-6 порядков более высокие чувствительность и точность.

Некоторое распространение получили приборы, в которых источником возбуждения является тлеющий разряд. Их довольно широко используют для анализа токопроводящих проб. В некоторых случаях этот источник устанавливают в паре с индукционной аргоновой плазмой. Появились разработки, позволяющие анализировать и непроводящие пробы. Их переводят в аэрозоль, который подают в ячейку полого катода, где и происходит возбуждение тлеющим разрядом. Приборы с лазерным источником возбуждения не получили широкого распространения, поскольку в них не удается решить проблемы стабилизации.

Строго говоря, масс-спектрометрия не относится к спектральным методам, поскольку не использует электромагнитный спектр, а определяет массы разделенных частиц в магнитном поле прибора.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 73651 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19250 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17042 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы