Атомно-эмиссионная спектрометрия широко используется в различных областях промышленности, а также в экологии и геологоразведке. На практике приходится определять элементный состав не только металлов и сплавов, но и токонепроводящих образцов.
Современные спектральные приборы способны проводить анализ материалов с различными физико-химическими свойствами, находящихся в любом агрегатном состоянии. Для получения точных результатов исследования, и собственно возможности его проведения важно не только подобрать спектрометр, но и правильно выполнить отбор и подготовку проб.
Отбор проб
Под пробой понимают часть исследуемого вещества, отражающего его химический состав. Она должна соответствовать поставленной аналитической задаче, и отражать качественный и количественный состав всего материала или его части (фаза, слой, вкрапление). При неоднородном составе материала процедура отбора пробы затруднена, и требует использования особых техник.
При проведении исследования растворов и газовых смесей сложностей при отборе проб не возникает, так как они гомогенны. Анализ даже малого количества вещества позволяет получить представление о химическом составе всего объема.
Распределение элементов в твердых материалах менее равномерно, чем в газах и растворах, поэтому техника отбора проб и ее размеры играют большую роль. Химический состав маленькой части исследуемого материала может значительно отличаться от его среднего состава. Увеличение размера пробы позволяет достичь большей представительности и приблизится к усредненному составу образца.
Если средний химический состав пробы и образца совпадают, и элементы распределены однородно, то проведения исследования достаточно нескольких миллиграммов или граммов вещества. При значительной неоднородности состава отбираются пробы из различных участков анализируемого материала. В этом случае проба считается представительной, несмотря на то, что возможны некоторые отличия от содержания элементов в веществе со случайным их распределением.
Представительная проба сама может иметь неоднородный состав, поэтому теоретически необходимо выполнение ее анализа целиком. Однако испарить значительное количество вещества источником возбуждения затруднительно. Решением этой проблемы служит введение пробы по частям в ходе проведения нескольких исследований.
Наибольшей неоднородностью отличаются горные породы, руды и минералы. Как правило, образцы представляют собой мелкий порошок с массой 50-100 г. Каждый из них в таком объеме достаточен для проведения спектрального анализа, но их однородность находится на недостаточном уровне. Для усреднения состава осуществляют дополнительное измельчение и смешивание. После этого происходит отбор частных проб, их соединение и тщательное перемешивание. Аналогичным образом производится подготовка проб порошков металлов.
Если исследуемое вещество - монолит, то отбирается его часть, которая удобна для использования при проведении спектрального анализа. Форма и размеры пробы зависят от метода исследования и особенностей конструкции прибора.
При значительной неоднородности металла осуществляют отбор проб с разных участков. Как правило, анализу подвергают стружку или опилки материала.
Для отбора проб жидкого металла используется пробоотборник. Процедура осуществляется с соблюдением мер предосторожности, чтобы исключить попадание шлака и посторонних включений. Жидкая проба заливается в кокиль или специальную изложницу, в которой происходит быстрая кристаллизация металла, обеспечивается однородность химического состава и структура, соответствующая стандартному образцу.
Особенности подготовки металлических и токонепроводящих проб
Подготовка проб - важный этап спектрального анализа, который следует за отбором проб. Для этого используются различные методы, соответствующие агрегатному состоянию и физико-химическим свойствам образца.
Токопроводящие пробы
К этой категории относятся металлы и их сплавы. Их анализ можно проводить непосредственно, если они имеют размеры, которые позволяют их использовать в качестве электрода. Если размеры образца достаточно велики, то исследуют его небольшие куски или стружку, которые помещаются в канал электрода спектрального прибора.
Токонепроводящие или плохо проводящие электрический ток пробы
Минералы, шлаки, руды и ряд других материалов и веществ обладают диэлектрическими свойствам, поэтому они требуют предварительной подготовки перед проведением спектрального анализа. Эти материалы предварительно превращают в однородный мелкодисперсный порошок, который получают путем истирания и перемешивания. Масса навески порошкообразной пробы равна порядка 20 г. После этого проба помещается в канал электрода.
Анализ органики требует предварительно минерализации путем озоления. Подготовка проб в этом случае заключается в истирании и перемешивании.
Необходимый объем раствора при его анализе отмеряется с помощью микропипетки. Жидкость наносится на торец или в углубление электрода и высушивается. После этого сухой остаток пробы возбуждается источником. При необходимости определения малых концентраций элементов раствор подвергают предварительному выпариванию.
Верхний электрод имеет конусообразную форму. Форма нижних угольных электродов спектрального прибора зависит от способа используемого пробоподготовки. Они могут иметь плоский торец или кратер для размещения сыпучего материала.
Если источником возбуждения служит пламя или индуктивно-связанная плазма, то проба переводится в раствор.
Особенности выбора спектрального прибора
Для анализа металлической или токопроводящей пробы важно правильно выбрать:
- источник возбуждения спектра;
- спектральный прибор;
- условия проведения исследования.
Анализ металлов и сплавов, то есть токопроводящих материалов, как правило осуществляется с помощью искровых генераторов. Возбуждение порошкообразной пробы осуществляется дуговым электрическим разрядом, растворов - с помощью пламени или индукционно-связанной плазмы.
Физико-химические свойства исследуемых элементов определяют выбор источника возбуждения:
- трудновозбуждаемые анализируют с использованием искры;
- легковозбуждаемые возбуждаются пламенем;
- труднолетучие исследуются с помощью дуги постоянного тока.
На выбор спектрального прибора оказывает влияние состав проб и спектральная область, в которой находятся исследуемые линии элементов. Щелочные и щелочноземельные элементы можно исследовать на пламенных фотометрах путем распыления пробы. Спектральные линии остальных металлов находятся в диапазоне 250-450 нм, поэтому возможно использование кварцевых спектрографов со средней дисперсией.
Приборы с большой дисперсий потребуются при анализе сложных проб, компоненты которых дают многолинейчатый спектр. Для определения элементов, спектральные линии которых находятся в видимой области, могут быть использованы приборы со стеклянной оптикой.
Среди большого числа предложений на рынке можно выделить следующие приборы, которые отличаются универсальностью, и способны выполнять анализ не только металлов, но и токопроводящих проб.
СПАС-01
Дуговой эмиссионный спектрометр СПАС-01 предназначен для анализа материалов в порошкообразном виде, монолитных металлов и сплавов, масел и жидкостей. Возбуждение спектров происходит в воздушной атмосфере с помощью дугового разряда. Прибор находит применение для анализа почв, пород, геологических образцов, а также металлов и сплавов.
ЛИЭС
Лазерно-искровой спектрометр - уникальный прибор с комбинированным источником возбуждения. Благодаря такому подходу в разы увеличилась чувствительность и воспроизводимость. Спектрометр позволяет выполнять сертификационные, геологические и экологические анализы, и определяет более 70 элементов.
Эридан 500
Эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой предназначен для анализа множества элементов в любых веществах, которые предварительно переведены в раствор. Прибор способен определять серу, фосфор, углерод, азот, водород, щелочные и редкоземельные элементы. Спектрометр способен решать любые экологические задачи, и отличается невысоким расходом аргона.
Где можно сделать анализ металлической или токопроводящей пробы
Приобретение оборудования для исследования проб с различными физико-химическими свойствами в разных агрегатных состояниях - довольно затратное мероприятие, поэтому важно убедиться в целесообразности этого шага. Экономически оправданы затраты на оснащение лаборатории, если необходимость в проведении анализа возникает не реже 3-4 раз в неделю.
Эксплуатация прибора в таком режиме позволяет окупить затраты на его приобретение в течение первого года работы оборудования.
В противном случае имеет смысл обратиться за помощью в стороннюю организацию, которая специализируется на проведении анализа металлических или токопроводящих проб.
При выборе подходящей лаборатории должно выполняться важное условие - экспертная организация должна быть аккредитована. Только в этом случае результаты исследований будут иметь юридическую силу, а результаты будут документально подтверждены сертификатом.
