Радиостатистический метод экспресс-контроля качества веществ (стр. 4 )

В настоящее время с развитием научного прогресса на первый план вышли инструментальные количественные методы на основе современных физико-химических методов анализа.

Количественный элементный анализ основан на измерении физических свойств изучаемых материалов в зависимости от содержания определяемого элемента: интенсивности характерных спектральных линий, значения ядерно-физических или электрохимических характеристик и т. п. Первыми методами количественного элементного анализа были гравиметрия и титриметрия, которые и сейчас по точностным характеристикам часто превосходят инструментальные методы. По точности с ними успешно конкурируют только кулонометрия и электрогравиметрия.

Элементный анализ важен в эколого-аналититическом и санитарно-эпидемиологичском контроле, анализе продуктов питания и кормов, металлов и сплавов, неорганических материалов, особо чистых веществ, полимерных материалов, полупроводников, нефтепродуктов и др., в научных исследованиях.

Среди инструментальных методов анализа широко распространены рентгенофлуоресцентная, атомно-эмиссионная (в том числе с индуктивно-связанной плазмой), атомно-абсорбционная спектрометрия, спектрофотометрия и люминесцентный анализ. Электрохимические методы (полярография, потенциометрия, вольтамперометрия и др.), масс-спектрометрия (искровая, лазерная, с индуктивно связанной плазмой и др.), различные варианты активационного анализа. Методы локального анализа и методы анализа поверхности (электроннозондовый и ионнозондовый микроанализ и т. п.) и др.

При выборе метода и методики анализа учитывают структуру анализируемых материалов, требования к точности определения, пределу обнаружения элементов, чувствительности определения, селективности и специфичности, а также стоимость анализа, квалификацию персонала, скорость проведения анализа, уровень необходимой пробоподготовки и наличие необходимого оборудования.

Например, при анализе металлов и сплавов с погрешностью значением 0,01 % оптимальным выбором является искровой опто-эмиссионный спектрометр, как анализатор, определяющий основные элементы, используемые в сталях (углерод, кремний, марганец, молибден, ванадий, железо, хром, никель и др). Для менее точного анализа марок сталей и сплавов удобно использовать портативный рентгенофлуоресцентный спектрометр. Для анализа цемента, бетона, руды одним из надежных решений является волнодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализатор. Для исследования стекла и керамики хорошо подходит лазерный оптико-эмиссионный спектрометр. Атомно-абсорбционный спектрометр позволяет анализировать практически любые вещества с хорошей точностью. Минусом метода являются высокие требования к пробоподготовке и большое время анализа. Спектрофотометр широко применяется при анализе жидкостей.

При определении следов элементов нередко прибегают к их предварительному концентрированию. Помехи, связанные с матричным составом и взаимным влиянием аналитических сигналов элементов друг на друга, уменьшают, прибегая к их разделению. В некоторых случаях помехи могут быть значительно уменьшены благодаря рациональному выбору условий инструментального анализа и создания необходимого программно-математического обеспечения. Например, рентгенофлуоресцентный спектрометр позволяет определять содержание вредных тяжелых металлов в воде после концентрирования и осаждения на специальных фильтрах, что позволяет проводить анализ на уровне предельно допустимых концентраций порядка 10−8 %. Но самым точным методом для определения следов элементов является спектрометр индуктивно-связанной плазмы, определяющий 10−8 % – 10−9 % практически по любому элементу.

К элементному анализу относятся методы:

рентгеноспектральный анализ (рентгено-флуоресцентный); нейтронно-активационный анализ; электронная Оже-спектрометрия (ЭОС); аналитическая атомная спектрометрия.

При выборе метода и методики анализа учитывают структуру анализируемых материалов, требования к точности определения, пределу обнаружения элементов, чувствительности определения, селективности и специфичности, а также стоимость анализа, квалификацию персонала, скорость проведения анализа, уровень необходимой проб подготовки и наличие необходимого оборудования.

Рентгеноспектральный анализ

Рентгеноспектральный анализ – инструментальный метод элементного анализа, основанный на изучении спектра рентгеновских лучей прошедших сквозь образец или испущенных им [ 15]. Он основан на том, что при возбуждении у атома удаляются электроны из внутренних оболочек. Электроны из внешних оболочек перескакивают на вакантные места, высвобождая избыточную энергию в виде кванта рентгеновского диапазона или передавая ее другому электрону из внешних оболочек (оже-электрон). По энергиям и количеству испущенных квантов судят о количественном и качественном составе анализируемого вещества [ 16, 17, 18, 19, 20, 21].

В качестве источников возбуждения применяют рентгеновское излучение (первичное излучение) или электронный удар. Для анализа спектра вторичного излучения применяют либо дифракцию рентгеновских лучей на кристалле (волновая дисперсия), либо используют детекторы, чувствительные к энергии поглощенного кванта (энергетическая дисперсия).

Рентгеноспектральный анализ применяется главным образом для анализа твердых образцов. Важнейшим достоинством рентгенофлуоресцентной спектроскопии является то, что это неразрушающий метод анализа. Последнее исключительно важно, например, при анализе произведений искусства, археологических объектов или вещественных доказательств в криминалистике. Диапазон определяемых содержаний составляет до 10-5 % массы исследуемого образца.

Рентгенофлуоресцентные спектрометры используют для определения элементного состава вещества. Многофункциональный аналитический рентгенофлуоресцентный спектрометр-микроанализатор элементного состава вещества модели XGT-7000 предназначен для быстрого, неразрушающего, не требующего подготовки проб микро - и макро-анализа элементного состава вещества: органические и неорганические материалы, драгоценные и прочие металлы, металлические покрытия и сплавы, стекла, краски, цемент, ювелирные камни, искусственный и поддельный жемчуг, денежные знаки, редкие и ценные музейные экспонаты, картины, наркотики, отпечатки пальцев, заряды, фрагменты тканей и живых организмов, костного скелета, растений и прочих биоматериалов, инородные частицы в фармацевтических продуктах и продуктах питания, внутри полимерных образцов. На рисунке 1 представлен внешний вид микроскопа.

Рисунок 1 – Внешний вид аналитического рентгенофлуоресцентного микроскопа XGT - 7000

XGT-7000 - уникальный аналитический прибор производства компании HORIBA, Япония; создан в сотрудничестве с Японским национальным институтом материаловедения и защищен 6 патентами.

XGT-7000 имеет международные сертификаты ISO 9001, ISO 14001, а также соответствует стандартам EC, включая WEEE и RoSH. XGT-7000 безопасен в работе.

Базовые технические характеристики XGT-7000:

определяемые элементы от Na (11) до U (92) при атмосферном давлении; возможности микро - и макроанализа. Размеры анализируемой области: точечный анализ – диаметр 10 мкм и 100 мкм; картографирование – от 0,512х0,512 мм до 10х10 см; мин. определяемые концентрации 100 – 500 ppm (0,01 – 0,05 %); разрешение менее 150 eV на линии Kб Mn; увеличение оптического изображения до 100Х; одновременное картографирование элементного состава и пропускания рентгеновских лучей для областей образца размером до 10х10см с разрешением 100мкм и 10мкм; размеры и вес системы: 700 мм х 670 мм х 1000 мм (включая компьютер), 200 кг; требуемое питание: однофазное 100–120–220–240 В, 50–60 Гц, 1,3 кВт.

Базовая комплектация прибора: генератор рентгеновских лучей, аналитическая рентгеновская оптика, автоматизированный XY-предметный столик, камера для образцов, вакуумный насос, детектор высокой степени очистки, цветная CCD камера, счетчик сцинтилляций, компьютер с программным обеспечением SMARTMAP, защитные колпачки для рентгеновской трубки, комплект для заливки азота, комплект лампочек подсветки и предохранителей, стандартные образцы, расходные кюветы, полимерные крышки расходных кювет, база данных для архивации и сравнения рентгеновских спектров [ 22].

Активационный анализ

Активационный анализ (радиоактивационный анализ) – метод качественного и количественного элементного анализа вещества, основанный на активации ядер атомов и исследовании образовавшихся радиоактивных изотопов (радионуклидов) [ 23].

В процессе активационного анализа вещество облучают ядерными частицами (тепловыми или быстрыми нейтронами. протонами, дейтронами, б-частицами и т. д.) или г-квантами. Затем определяют вид, т. е. порядковый номер и массовое число. образовавшихся радионуклидов по их периодам полураспада Т1/2 и энергиям излучения Е, которые табулированы. Поскольку ядерные реакции, приводящие к образованию тех или иных радионуклидов, обычно известны, можно установить, какие атомы были исходными.

Количественный активационный анализ основан на том, что активность образовавшегося радионуклида пропорциональна числу ядер исходного изотопа, участвовавшего в ядерной реакции.

Рассмотрим схему активационного анализа на примере нейтронно-активационного анализа на тепловых нейтронах [ 24]. В нейтронно-активационном анализе используются нейтронные генераторы, в которых нейтроны образуются в результате ядерных реакций на соответствующих мишенях.

Последовательность событий, происходящих в реакциях радиационного захвата представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Последовательность событий в реакции радиационного захвата

В результате неупругого взаимодействия теплового нейтрона с ядром образца образуется компаунд-ядро в возбужденном состоянии, энергия возбуждения определяется энергией связи нейтрона в ядре. Компаунд-ядро быстро сбрасывает свою энергию возбуждения и переходит в основное состояние, излучая один или несколько характеристических мгновенных гамма-квантов. Во многих случаях это ядро бета-радиоактивно и тоже распадается с характеристической постоянной распада. Более того, часто бета-распад идет на возбужденные состояния конечного ядра, которые в свою очередь сбрасывают энергию возбуждения, испуская характеристические гамма-кванты (задержанные).