Радиостатистический метод экспресс-контроля качества веществ (стр. 5 )

Метод позволяет определять большинство элементов периодической системы начиная с Na с пределами обнаружения 10-4–10-12 %, в т. ч. 53 элемента – с пределами обнаружения менее 10-6 %. Однако определение при помощи активации тепловыми нейтронами легких элементов от Н до Ne, а также Mg, Al, Si, P и некоторых др. связано со значительными трудностями из-за небольших сечений ядерных реакций, слишком малых или слишком больших Т1/2 образующихся радионуклидов, низких энергий испускаемого г-, в-излучения или рентгеновского излучения. В этом случае используют нейтронно-активационный анализ на быстрых нейтронах (с энергией ~ 14 МэВ). Источник последних – нейтронный генератор. Сечение ядерных реакций на 3-4 порядка меньше, чем при активации тепловыми нейтронами. Однако быстрые нейтроны активируют легкие элементы – О, N, Si, F, Al, Mg и некоторые др., пределы обнаружения которых составляют 10-3–10-5 %.

Предельно низкие концентрации (10-7–10-8 %) О, С, N и В определяют путем активации образца ускоренными протонами или б-частицами. Источник излучения в этом случае – циклотрон. При использовании для активации заряженных частиц можно определять в чистых веществах Са, Ti, V, Nb, Y с пределами обнаружения 10‑5–10-7 %.

Для определения газообразующих примесей (N, С) используют также активацию г-квантами (фотонейтронный анализ). Источник последних – линейные ускорители, микротроны и бетатроны. В этом случае предел обнаружения составляет 10-5–10-6 %.

В качестве примера рассмотрим аппаратуру фирмы NIGAS. В качестве нейтронного источника в аппаратуре NIGAS используется импульсный нейтронный генератор. Гамма-спектрометр аппаратуры позволяет регистрировать раздельно спектры неупругого рассеяния и радиационного захвата в различных временных окнах, а система обработки сигнала работает в режиме реального времени, постоянно выдавая необходимую информацию оператору.

Система автоматически по элементному составу идентифицирует химическое вещество, находящееся внутри исследуемого объекта.

Принцип действия:

облучение исследуемой области импульсным потоком нейтронов; регистрация обратно-рассеянных нейтронов и гамма-квантов радиационного захвата; обработка полученных данных по определенному алгоритму.

В результате зондирования определяются объекты с аномальным содержанием легких элементов (n, n-метод) и азота (n,γ-метод), являющимися ключевым фактором наличия взрывчатых веществ (ВВ). Ядерно-физический метод обнаружения и идентификации, основанный на применении импульсного нейтронного излучения, является перспективным прямым методом поиска ВВ.

Проведенные испытания аппаратуры в реальных условиях показали хорошие результаты по идентификации отравляющих, зажигательных, дымовых и взрывчатых веществ внутри старых боеприпасов, а также в контейнерах и других герметически закрытых емкостях.

Основные технические характеристики [ 25]:

поток нейтронов – 2·107 н/с; источник нейтронов – ИНГ-07 (DD); определяемые ключевые элементы: H, N, F, P, S, Cl, As; определяемые вспомогательные элементы: Na, Mg, K, Ca, Ti, Br, Zn, Sr, Sn, Ba, Pb и др. по указанию оператора; процесс измерения и идентификации полностью автоматизирован; время единичного анализа от 20 до 300 с; прибор не содержит радиационного излучения в выключенном состоянии.

Атомная спектрометрия

Аналитическая атомная спектрометрия – совокупность методов, основанных на преобразовании анализируемых проб в состояние отдельных свободных атомов, концентрации которых затем измеряются. Это метод определения элементного состава вещества по его электромагнитному или изотопному спектру [ 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34].

Методы атомной спектрометрии – основные методы определения элементного состава веществ [12]. Для массовых, быстрых, селективных и достаточно точных определений малых содержаний металлов широкое применение нашел метод атомно-абсорбционной спектрометрии. Этим методом можно определять около 60‑70 элементов, главным образом металлов, при их концентрациях порядка пикограммов–микрограммов на миллилитр. Однако атомно-абсорбционную спектрометрию целесообразно применять лишь для одноэлементных анализов. Для одновременного определения нескольких элементов, а также качественного (обзорного) анализа наилучшими являются методы атомно-эмиссионной спектрометрии. Использование различных источников атомизации позволяет определять методом атомно-эмиссионной спектрометрии как основные, так и примесные компоненты пробы, анализировать как растворы, так и твердые образцы.

Сферы применения методов атомной спектрометрии очень многообразны. Это анализ объектов окружающей среды, продуктов питания, лекарственных препаратов (например, определение следов тяжелых токсичных металлов атомно-абсорбционным методом), продукции металлургической, строительной, стекольной промышленности (определение основных компонентов атомно-эмиссионным методом), геологических образцов – в том числе в полевых и множество других областей.

Методы атомной спектрометрии основаны на переходах валентных или внутренних электронов атомов из одного состояния в другое. Эти процессы в ряде случаев могут быть сопряжены с испусканием атомом одного или нескольких электронов (ионизацией). Поэтому в методах атомной спектрометрии возможна регистрация как электромагнитных, так и электронных спектров – распределений, соответственно, фотонов и испускаемых электронов по их энергиям.

На зависимости интенсивности спектральной линии от содержания элемента в пробе основан количественный анализ. Поскольку ширина атомных спектральных линий весьма мала, относительно мала и вероятность наложения линий различных элементов. Поэтому многие методы атомной спектрометрии можно использовать для обнаружения и определения одновременно нескольких элементов, т. е. для многоэлементного анализа.

В зависимости от используемого диапазона длин волн электромагнитного излучения и природы соответствующих электронных переходов методы атомной спектрометрии делятся на оптические и рентгеновские.

В методах оптической спектрометрии используют излучение УФ - и видимой областей оптического диапазона. Оно соответствует изменению энергии валентных электронов. Строение уровней валентных электронов для свободных атомов и молекул совершенно различно, поэтому для получения оптических атомных спектров необходима предварительная атомизация пробы — перевод ее в газообразное атомарное состояние. Для этой цели служат атомизаторы — источники высокой температуры различной конструкции.

В методах рентгеновской спектрометрии используют излучение рентгеновского диапазона, соответствующее изменению энергии внутренних электронов. Структуры энергетических уровней внутренних электронов в атомарном и молекулярном состояниях очень близки. Поэтому в рентгеновских методах атомизация пробы не требуется.

Наиболее широко распространенными методами атомной спектрометрии являются:

МС – масс-спектрометрия с регистрацией масс атомарных ионов: ИСП-МС – масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой; ЛА-ИСП-МС – масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией; ЛИМС – лазерно-искровая масс-спектрометрия; МСВИ – масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS); ТИМС – термоионизационная масс-спектрометрия (TIMS); высокоэнергетическая масс-спектрометрия на ускорителях частиц (AMS); ААС – атомно-абсорбционная спектрометрия; АЭС – атомно-эмиссионная спектрометрия; АФС – атомно-флуоресцентная спектрометрия; АИС – атомно-ионизационная спектрометрия.

Пределы обнаружения методов атомной спектрометрии зависят от способов атомизации проб и природы определяемого элемента и могут изменяться в широких пределах. Так, например, чувствительность атомно-эмиссионной спектрометрии составляет10‑7–10-8 % от массы исследуемого образца.

Выводы

В подразделах 1.1, 1.2, 1.3 были рассмотрены основные группы методов аналитической химии, применяемых для анализа различных веществ, и приборы, используемые для контроля качества веществ этими методами. К этим метода относятся как методы количественного анализа, позволяющие определять количества отдельных составных частей какого-либо химического соединения или смеси, так и методы качественного анализа, включающие в себя обширные группы методов, в основе которых лежат различные физические явления, в том числе атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия, рентгенофлуоресцентная спектроскопия, активационный анализ и др.

Области применения данных методов разнообразны: от определения токсичных веществ в продуктах питания и содержания тяжелых металлов в почвах и воде до проведения экспертиз предметов живописи и скульптуры и дотирования археологических находок. На сегодняшний день данные методы позволяют наиболее точно определять количественный и качественный состав веществ. Например, чувствительность атомно-эмиссионной спектрометрии составляет 10‑7‑10‑8 % от массы исследуемого образца. Методы активационного анализа позволяют определять большинство элементов периодической системы начиная с Na с пределами обнаружения 10-4‑10-12 %.

Рассмотренные приборы обладают различными областями применения, различными особенностями, преимуществами и недостатками.

Однако в большинстве случаев работа с данными приборами требует специальной подготовки персонала и соответствующего образования, требуются сложные процедуры подготовки образцов для исследования. Работа с данными приборами требует особых мер предосторожности. Габариты данных устройств, за некоторым исключением, достаточно велики, их масса составляет сотни килограммов, что позволяет использовать данные приборы только стационарно в лабораторных условиях. Существуют и переносные приборы, позволяющие проводить, например, анализ проб воды или почвы на месте, однако все требования к подготовке проб и квалификации персонала сохраняются.

Помимо этого, стоимость таких устройств достаточно велика, чтобы рядовые потребители могли позволить себе использовать их. Эти факторы значительно ограничивает область применения данных устройств в быту, оставляя их для научных лабораторий и предприятий.