IMH'I'AS'Lecture'ALL'UCII'r'19

Препис

1 ИНСТРУМЕНТАЛНИ МЕТОДИ ЗА АНАЛИЗ АТОМНА СПЕКТРОХИМИЯ ЛЕКЦИЯ 9 ОПТИКО-ЕМИСИОННА СПЕКТРОМЕТРИЯ С ИНДУКТИВНО СВЪРЗАНА ПЛАЗМА ICP-OES Химия ІІ курс редовно летен семестър 2019 Pag

2 Лекция 9. ЕМИСИОНЕН ЕЛЕМЕНТЕН АНАЛИЗ. ПЛАЗМЕНА СПЕКТРОСКОПИЯ ICP-OES 1. Високо енергетични източници на възбуждане в атомно-емисионния спектрален анализ. Искров и дъгов разряд - приложение на директния анализ на твърди проби. Плазмени източници - DCP; MIP; Индуктивно свързана плазма (ICP) оптико-емисионна спектрометрия (ICP-OES) 2. Характеристика на ICP плазмения разряд Оптични системи -монохроматор, полихроматор, CCD 3. Спектрални пречения - Методи за корекция Фоново пречене, Припокриване на спектрални линии. 4. Аналитични приложения -трудности при алкалните елементи; вакуум оптика за определяне на неметали.

3 НЕ ЗАБРАВЯЙ!! Спектрално активна форма на атомноемисионния анализ САФ при атомно емисионния анализ възбудени атоми Пламъка не е достатъчно ефективен източник на възбуждане (използва се само за провокиране на емисионни спектри на алкални и алкалоземни елементи) Дължината на вълната на емисионната спектрална линия e качествена характеристика за присъствие на елемента в източника, а интензитетът й е пропорционален на количеството елемент в пробата E = E j Ei = Внимание! hc λ Е i не е задължително да е Е I = A ji *. hv. n ji j Наблюдават се спектралните линии на много елементи МЕТОДА Е МУЛТИЕЛЕМЕНТЕН

4 Видове източници в емисионната спектрометрия Източник Температура Особеност на спектъра Пробовъвеждане Аналитично приложение Пламъци. Електрически дъги - правотокови и променливо токови Тлеещи разряди дифузен разряд, катодно искрене Искри - ниско-, средно-, и високоволтови Плазми - ICP, DCP, MIP, CMP -газови разряди в инертна среда К К зависи от материала на е- дите K до К зависи от материала на е- дите К само атомни линии тесни атомни линни тесни йонни линии по-широки йонни линии атомни и йонни линии Лазери К атомни линии динамично -разтвор импулсно проводящи материали -катод импулсно шлифовна или пресована таблета - катод импулсно проводящи материали -катод динамично - разтвор импулсно -малък обхват на атакуващия лъч анализ на алкални елементи анализ на примеси в чисти метали или сплави, анализ на газове в метали компоненти на сплави проводящи материали анализ на разтвори анализи на повърхностни покрития

5 ИСКРОВИ СПЕКТРОГРАФИ

6

7 ПРЕДИМСТВА НА ИСКРОВИТЕ СПЕКТРОМЕТРИ

8 ПРЕДИМСТВА НА ИСКРОВИТЕ СПЕКТРОМЕТРИ ПОЗИТИВИ Не се изисква пробоподготовка Бърз и евтин анализ Може да се прави на място НЕГАТИВИ Анализират се само електропроводими материали Определянето е локално Трудности при калибриранесамо чрез еталонни слитъци

9

10 ПЛАЗМА Йон и Електрони СЪСТОЯНИЕ НА ЙОНИЗИРАН ГАЗ включващо свободни йони и електрони ПЛАЗМА

11 Директно свързана плазма Предимства пред ICP По-малко емисионни линии. По-малка консумация на аргон Недостатъци По-лоша чувствителност с порядък По-скъпа поддръжка Липсва на пазара

12

13

14

15 How does the MP-AES work? 4200 MP-AES runs on nitrogen extracted from air using the Agilent 4107 nitrogen generator Axial magnetic and radial electrical fields sustain the nitrogen plasma Sample aerosol is introduced into nitrogen plasma.

16 How does the MP-AES work? Axial emission from the vertical oriented nitrogen plasma is directed into the fast scanning monochromator optics Wavelength specific emissions are detected using a high efficiency CCD.

17 Сравнение на : MP-AES и Flame AA Характер истика MP-AES Flame AA Граници на откриване Линеен динамичен диапазон Горивни газове Окислителни газове Продукт на горенето Светлинни източници Корекция на дрейфа Работа без наблюдение нощем Разходи по експлоатация Солеви разтвори По-добри По-добри Не се изисква Не се изисква Не се изисква Не се изисква Не се изисква ДА По-ниски добри Добри Добри Ацетилен Двуазотен оксид CO2-1 6 t за година HC, ЕDL, D2 лампи Двойно лъчева система НЕ Високи Добри

18 Индуктивно свързана плазма

19 ICP Около kw енергия от променлив ток с честота: MHz 40 MHz 50 MHz

20 Схема на ICP-OE спектрометър Радиално гледана плазма Аксиално гледана плазма

21 ICP като емисионен източник Предимства: Ефективно динамично пробовъвеждане на аерозол във високотемпературната зона. Висок температурен градиент в централния канал Ефективно възбуждане на атоми и йони Висока стабилност на разряда Богат спектър с тесни линии с намалени ефекти на самопоглъщане спрямо дъги и искри Широк линеен динамичен интервал: 3-5 порядъка Недостатъци: Сериозна опасност от спектрални пречения Пречещите влияния изискват висока квалификация на аналитика Недостатъчната чувствителност за някои елементи Пулверизирането на пробни разтвори с ограничено съдържание на разтворими соли 15%. Плазмата е нестабилна при внасяне на органични разтворители (алкохоли, кетони и др.)

22 Структура на плазмения разряд при ICP

23 ПЛАЗМЕНИ ФЕНЕРИ

24 Пулверизатори

25 Пулверизационни камери

26 Ултразвуков пулверизатор

27 Класификация на емисионните линии 1.Според вида на излъчващата форма - атомни и йонни. Излъчваща частица Тип линия пример атом (As*) І As I nm еднозаряден йон (Mn + *) ІІ Mn II nm двузаряден йон (Al 2+ *) ІІІ Al III nm и т.н. Тъй като в ICPсе възбуждат и излъчват и атоми и йони,прието е методът да се нарича не АЕС (атомно емисионна спектроскопия), а ОЕС - оптична емисионна спектроскопия 2. Според енергията на възбуждане Тип линия Енергия пример меки Е възб < 3.8 еv Cu nm Е възб = 3.8 еv междинни 3.8 еv <Е възб < 5.8 еv Mn mn Е възб = 4.8 еv твърди Е възб > 5.8 еv Pb nm Е възб = 7.4 еv ICP е в състояние да генерира преходи на валентни електрони, изискващи енергия по-ниска от първия йонизационен потенциал на аргона IP (Ar) = ev

28 ВНИМАНИЕ КОЛОКВИУМ На 2-ри Май 2019 (четвърък) От 09:00 10:30 ч.

29 Лекция 9. ЕМИСИОНЕН ЕЛЕМЕНТЕН АНАЛИЗ. ПЛАЗМЕНА СПЕКТРОСКОПИЯ ICP-OES 1. Високо енергетични източници на възбуждане в атомно-емисионния спектрален анализ. Искров и дъгов разряд - приложение на директния анализ на твърди проби. Плазмени източници - DCP; MIP; Индуктивно свързана плазма (ICP) оптико-емисионна спектрометрия (ICP-OES) 2. Характеристика на ICP плазмения разряд Оптични системи -монохроматор, полихроматор, CCD 3. Спектрални пречения - Методи за корекция Фоново пречене, Припокриване на спектрални линии. 4. Аналитични приложения -трудности при алкалните елементи; вакуум оптика за определяне на неметали. Pag НАПОМНЯНЕ ЗА І семестриален КОЛОКВИУМ!!!!!

30 Изисквания към оптичните системи 1. Да покриват спектралния диапазон, на емисионни линии на атоми и йони λ <120 nm Ar, F, H, He, Ne (MIP ) 120 nm<λ<190 nm Br, Cl, I, C, N, O, P, S, B ( MIP, дъга, искра, DCP, ICP ) 190 nm<λ<600 nm всички метали и металоиди без алкални (дъга, искра, ICP ) λ>600 nm V, Li, Rb, Cs ( пламъкова емисия) Особености и ограничения при регистрация на емисионни спектри: поглъщане от О 2 в УВ областта λ <190 nm пропускливост на силициеви биалкални прозорчета на входящи процепи и детектори λ >160 nm 2. Да осигуряват достатъчно висока разделителна способност -поради богатия спектър и възможността от припокриване - Разделителна способност ~0.01 nm 3. Да отговаря на много елементните възможности на метода - едновременна или бърза последователна детекция ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

31 Основни елементи на оптичната система Елемент Функция Изисквания проводяща оптика пренася и фокусира лъчението от източника до входа на опт. система 1. оптични системи с рефлектори и лещи или колиматори; 2.световоди ниски транспортни загуби, Входящ процеп подава лъчa в-у повърхността на дисперсионния елемент Дисперсионен елемент Диспергира полихроматичното лъчение на монохроматични снопове според ъгъл на отражение или пречупван 1. призма 2. дифракционна решетка -плоска или вдлъбната висока раздел. способност, ниски загуби от разсейване или аберация детектор преобразува и регистрира лъчението 1.фотоплака 2. фотодетектор с умножител 3. diodarray системи висока чувствителност за дадена λ Pag

32 How do they Work? ICP-OES ICP 1. Samples aspirated into a Nebuliser and spray chamber to create an aerosol which is carried into an argon plasma 2. The sample aerosol is decomposed and its constituents are atomised and excited in the high temperature plasma 3. Following the excitation of atoms a relaxation processes occurs, during which light of a characteristic wavelength is emitted for the elements present 4. This light is focused into an optical spectrometer which splits the light into its constituent wavelengths and measures the intensity of wavelengths of interest 5. The measured intensity is proportional to the concentration of the element of interest

33 ICP-OES Coverage ICP-OES can measure most elements in the periodic table, excluding some of the non-metallic elements.

34 Полихроматори - системи с много детектори твърдо позиционирани спрямо дифракционната решетка за едновременна многоелементна регистрация - всеки детектор се нарича канал на полихроматора предимства бърза едновременна регистрация на много елементи (1-10 сек за измерване) висока стабилност на системата недостатъци твърдо заложен избор на елементи и спектрални линии механични ограничения за регистрация на близко разположени линии не може да се проучва спектралната обстановка и да се извършват корекции ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

35 ПОЛИХРОМАТОР ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

36 I C P - A E S Czerny-Turner МОНОХРОМАТОР ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

37 Монохроматори - сканиращи системи с детектор и променящи ъгъла на гледане спрямо дифракционната решетка за последователна многоелементна регистрация предимства възможност за свободен избор на наблюдавана линия възможност за изследване и корекция на пречещи влияния недостатъци сравнително бавна (спрямо полихроматор ) регистрация възможности за грешки от механично изместване на системата ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

38 МОНОХРОМАТОРНА ОПТИКА ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

39

40

41

42 ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

44 What is Fullframe? A Fullframe is a graphical depiction of the CID chip. All wavelengths are displayed and can be identified and semi quantitatively analysed. The bright spots are elements in your sample.the brighter the spot, the higher the concentration!

45 What can we do with Fullframe? - identify all elements in a solution - semi quantitatively determine their concentration - fingerprint samples, batch and trend analysis - strip matrices from samples - identify contaminants from one batch to the next by subtracting Fullframes from each other All of these functions can be performed live or post run!

49 Спектометър с аксиална плазма Радиално гледана плазма Аксиално гледана плазма Pag

50 Лекция 9. ЕМИСИОНЕН ЕЛЕМЕНТЕН АНАЛИЗ. ПЛАЗМЕНА СПЕКТРОСКОПИЯ ICP-OES 1.Високо енергетични източници на възбуждане в атомно-емисионния спектрален анализ. Искров и дъгов разряд - приложение на директния анализ на твърди проби. Плазмени източници - DCP; MIP; Индуктивно свързана плазма (ICP) оптико-емисионна спектрометрия (ICP-OES) 2. Характеристика на ICP плазмения разряд Оптични системи -монохроматор, полихроматор, CCD 3. Спектрални пречения - Методи за корекция Фоново пречене, Припокриване на спектрални линии. 4. Аналитични приложения -трудности при алкалните елементи; вакуум оптика за определяне на неметали. Pag НАПОМНЯНЕ ЗА І семестриален КОЛОКВИУМ!!!!!

51 Емисионен спектър на ICP Плазменият разряд е мощен източник на лъчение съставено от: емисия на пробни компоненти ( атоми, йони, молекули ) емисия на газовата атмосфера на разряда (аргон и дифундиращи газове от въздуха) емисия на частици, получени при взаимодействие между проба и газова атмосфера. Емисионният спектър е съставен от линии и ивици, насложени върху непрекъснат плазмен фон, съставен от : взаимодействие между йони и електрони (йонизация и рекомбинация ) термична емисия от накалени частици разсеяна светлина Химичните елементи от пробата присъстват в източника под формата на атоми, йони, оксиди, хидроксиди и други молекулни или йонни асоциати. ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

52 Проблеми на емисионния спектрален анализ Photocurrent (Amperes) Pb 100mg/L Слаба чувствителност (% - 10 ppb) - Висок непрекъснат фон. -Флуктуации на фона от матрицата. - Спектрални пречения. - Различие в чувствителността за различните елементи. - Масивни инструменти Wavelength (nm) ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

53

54 Класификация на пречения По резултат от въздействието - адитивни и мултипликативни По механизъм на въздействие - спектрални и неспектрални Спектрални пречения - резултат от непълно разделяне на сигнала на аналита от останалите лъчения, попаднали в детектора 1) Фонови - промяна в излъчвания от източника непрекъснат спектър 2) Припокриване на спектрални линии - дължи се на поява на допълнителни спектрални характеристики, породени от съпътстващи компоненти на матрицата. Неспектрални пречения -промяна в сигнала на аналита, която не е свързана с поява на допълнителни спектрални характеристики 1) транспортни генериране и пренос на аерозол до източника 2) в източника - при възбуждане и йонизация В ICP НЕ СЕ НАБЛЮДАВАТ ХИМИЧЕСКИ ПРЕЧЕНИЯ ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

55 Неспектрални пречения в eмисионната спектроскопия Неспектралните пречения са мултипликативни Транспортни -уравнение на Нукаяма-Танасава; уравнение на Срезновски Пречене в кондензирана фаза -пламъкова емисия; скорост на изпаряване в дъга и искра; кристалографската структура на пробата; хомогенност Пречения в етапа на възбуждане-влияние на температура и електронна плътност в източника -уравнение на Саха; йонизационно пречене от алкални елементи в плазми; дифузионно пречене в ICP (молекулни пари дестабилизират разряда) ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

56 Мултипликативно пречене води до промяна в наклона на калибрационната функция.. Резултатът от пречене може да бъде подтискане или усилванена сигнала. Само много високо съдържание на пречещия компонент може да предизвика промяна в условията на пренос и възбуждане МЕТОДИ ЗА КОРЕКЦИЯ Метод на стандартната добавка Метод на вътрешния стандарт Метод на имитираната матрица. За динамична корекция на мултипликативно пречене, компонента трябва да притежава измеряема емисионна характеристика. NB!!! *При мултипликативно преченене е възможен избор на друга спектрална линия ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

58 Фонова емисия ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

59 Пречене в крило Pag

60 Припокриване на линии Pag

61 Препокриване на линни РЕШЕНИЯ Избор на свободна от пречене линия Въвеждане на корекционни коефициенти в калибрационното уравнение *във втория случай преченето може да се отстрани чрез оптична система с по-висока разделителна способност или спектър от по-висок порядък Pag

62 АДИТИВНО ПРЕЧЕНЕ. В резултат на адитивно пречене калибрационната линия се отмества успоредно, без промяна на чувствителността.. Адитивното пречене е само положително -винаги се наслагва пречещ сигнал. Факторът на пречене зависи само от концентрацията на пречещия компонент и не се променя с нарастване концентрацията на аналита.. За да се извърши динамична корекция е необходимо пречещия компонент да притежава измеряема спектрална характеристика.. Методът на стандартната добавка и вътрешния стандарт не могат да коригират адитивно пречене ПУ П. Хилендарски КАХКХ ИМА PagІчаст

63 Аналитични характеристики на ICP-OES 1. Вид и количество на проба за анализ 2. Пробоподготовка разтвори чрез пулверизация при консумация на проба ~ 1ml/min Разтваряне + методи за концентриране и разделяне може да се въвеждат газове или твърди проби след изпаряване в редица случаи чувствителността е недостатъчна 3. Брой елементи елемента от ПС-ма без алкални метали халогени, инертни газове, компоненти на въздуха 4. Многоелементност Полихроматори Монохроматори 5. Селективност и пречещи влияния богат емисионен спектър с много спектрални пречения 6. Възпроизводимост 3-5% RSD в работна област 7. Граници на откриване, чувствителност DL»0.01mg/l. съизмерими с FAAS 8. Бързина 3-5 min / проба 9. Цена най-евтиния многоелементен метод едновременно определяне бързо последователно определяне преченията намаляват в реда: искра >дъга>dc плазма>icp плазма >пламък по-добра от дъга и искра по-добри DL от FAAS за неметали (S, P, Si и РЗЕ). по-бърз от GFAAS, но по-бавен от ICP-MS Серийни многоелементни или скринингови анализи Pag

65 Лекция 9. ЕМИСИОНЕН ЕЛЕМЕНТЕН АНАЛИЗ. ПЛАЗМЕНА СПЕКТРОСКОПИЯ ICP-OES 1.Високо енергетични източници на възбуждане в атомно-емисионния спектрален анализ. Искрови дъгов разряд - приложение на директния анализ на твърди проби. Плазмени източници - DCP; MIP; Индуктивно свързана плазма (ICP) оптико-емисионнаспектрометрия (ICP-OES) 2. Характеристика на ICP плазмения разряд Оптични системи -монохроматор, полихроматор, CCD 3. Спектрални пречения - Методи за корекция Фоново пречене, Припокриване на спектрални линии. 4. Аналитични приложения -трудности при алкалните елементи; вакуум оптика за определяне на неметали. Pag