СПЕКТРА́ЛЬНЫЙ АНА́ЛИЗ

СПЕКТРА́ЛЬНЫЙ АНА́ЛИЗ, по­лу­че­ние ин­фор­ма­ции об эле­мент­ном или мо­ле­ку­ляр­ном со­ста­ве ве­ще­ст­ва на ос­но­ве ин­тер­пре­та­ции его спек­тров из­лу­че­ния, по­гло­ще­ния или ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния. С. а. по­зво­ля­ет оп­ре­де­лять как осн. ком­по­нен­ты ве­ще­ст­ва, так и при­ме­си с кон­цен­тра­ция­ми до 10^–8–10^–9%. На­ча­ло С. а. бы­ло по­ло­же­но в 19 в.: в 1814 Й. Фра­ун­го­фер ис­сле­до­вал ли­нии по­гло­ще­ния в спек­тре Солн­ца, в 1859 Г. Кирх­гоф и Р. Бун­зен от­кры­ли ин­ди­ви­ду­аль­ные спек­тры ис­пус­ка­ния разл. хи­мич. эле­мен­тов. С. а. по­лу­чил ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние в ме­тал­лур­гии, гео­ло­гии, ме­ди­ци­не, био­ло­гии и др. об­лас­тях, стал не­отъ­ем­ле­мой ча­стью мн. слож­ных тех­но­ло­гич. про­цес­сов.

Об­щая схе­ма лю­бо­го ви­да С. а. вклю­ча­ет в се­бя ме­то­ди­ку при­го­тов­ле­ния про­бы, её ато­ми­за­цию или ис­па­ре­ние, по­лу­че­ние спек­тров и срав­не­ние их с ка­либ­ро­воч­ны­ми дан­ны­ми. Про­ба мо­жет быть при­го­тов­ле­на в твёр­дом, мел­ко­дис­перс­ном (с по­сле­дую­щим вду­ва­ни­ем в ана­ли­тич. зо­ну), жид­ком, аэ­ро­золь­ном и га­зо­об­раз­ном со­стоя­ни­ях. Вид спек­траль­но­го обо­ру­до­ва­ния и его тех­нич. па­ра­мет­ры оп­ре­де­ля­ют­ся кон­крет­ны­ми ме­то­ди­ка­ми спек­траль­но­го ана­ли­за.

Эмис­си­он­ный ана­лиз при­ме­ня­ют, как пра­ви­ло, для изу­че­ния эле­мент­но­го со­ста­ва ве­ще­ст­ва, т. к. в этом ме­то­де для по­лу­че­ния спек­тров ис­пус­ка­ния ис­сле­дуе­мое ве­ще­ст­во ра­зо­гре­ва­ет­ся (в пла­ме­ни, плаз­ме элек­трич. раз­ря­дов или в ин­дук­тив­но свя­зан­ной плаз­ме) до вы­со­ких тем­пе­ра­тур, при ко­то­рых мн. мо­ле­ку­лы на­чи­на­ют дис­со­ции­ро­вать. Оп­ре­де­ле­ние про­цент­но­го со­дер­жа­ния дан­но­го хи­мич. эле­мен­та ос­но­ва­но на за­ви­си­мо­сти ин­тен­сив­но­сти его спек­траль­ных ли­ний от кон­цен­тра­ции. Осн. фи­зич. про­бле­мой ме­то­да яв­ля­ет­ся влия­ние всех вхо­дя­щих в со­став про­бы ком­по­нен­тов на эф­фек­тив­ность воз­бу­ж­де­ния оп­ре­де­ляе­мо­го эле­мен­та. Ко­ли­че­ст­вен­ный С. а. мож­но про­вес­ти, срав­ни­вая ин­тен­сив­но­сти од­ной из яр­ких ли­ний оп­ре­де­ляе­мо­го хи­мич. эле­мен­та с ин­тен­сив­но­стью, близ­кой по дли­не вол­ны ли­нии др. эле­мен­та, имею­ще­го за­дан­ную кон­цен­тра­цию в про­бе и близ­кий к оп­ре­де­ляе­мо­му по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции (т. н. ана­ли­тиче­ская па­ра ли­ний). Для улуч­ше­ния чув­ст­ви­тель­но­сти ме­то­да час­то при­ме­ня­ют­ся разл. спо­со­бы обо­га­ще­ния ис­сле­дуе­мо­го ве­ще­ст­ва оп­ре­де­ляе­мым эле­мен­том. В слу­чае слож­ных спек­тров (а так­же для изо­топ­но­го ана­ли­за) раз­ре­ше­ние спек­траль­ной сис­те­мы (от­но­ше­ние дли­ны вол­ны λ к δλ) долж­но быть вы­ше, чем 10⁴. См. так­же Атом­но-эмис­си­он­ный спект­раль­ный ана­лиз.

Аб­сорб­ци­он­ный ана­лиз тре­бу­ет ис­поль­зо­ва­ния не толь­ко ато­ми­за­то­ра ис­сле­дуе­мо­го ве­ще­ст­ва, но и до­пол­нит. ис­точ­ни­ка из­лу­че­ния, по­гло­ще­ние ко­то­ро­го яв­ля­ет­ся ана­ли­тич. сиг­на­лом. Пре­иму­ще­ст­во это­го ме­то­да по срав­не­нию с эмис­си­он­ным – от­сут­ст­вие не­об­хо­ди­мо­сти воз­бу­ж­дать ато­мы или мо­ле­ку­лы оп­ре­де­ляе­мо­го ком­по­нен­та. Ана­ли­тич. сиг­нал мень­ше за­ви­сит от ос­таль­ных ком­по­нен­тов про­бы, бо­лее низ­кая темп-ра ато­ми­за­то­ра по­зво­ля­ет ра­бо­тать с ши­роким клас­сом мо­ле­кул. Для ато­ми­за­ции про­бы при­ме­ня­ют в осн. пла­мён­ный и элек­тро­тер­мич. ме­то­ды, а так­же ла­зер­ную и плаз­мен­ную ме­то­ди­ки и ато­ми­за­цию в тлею­щем раз­ря­де. В ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния ис­поль­зу­ют лам­пы с по­лым ка­то­дом или ди­од­ные ла­зе­ры (даю­щие ли­нии из­лу­че­ния, сов­па­даю­щие с ли­ния­ми по­гло­ще­ния оп­ре­де­ляе­мо­го эле­мен­та) ли­бо ис­точ­ни­ки из­лу­че­ния с не­пре­рыв­ным спек­тром (ду­го­вые ксе­но­но­вые лам­пы, дей­те­рие­вые лам­пы, вольф­рам-га­ло­ген­ные лам­пы). При­ме­ня­ют так­же из­лу­че­ние тлею­ще­го раз­ря­да и без­элек­трод­ные вы­со­ко­час­тот­ные лам­пы. При ис­поль­зо­ва­нии ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния с ли­ней­ча­тым спек­тром не тре­бу­ет­ся при­ме­не­ние спек­траль­ной ап­па­ра­ту­ры с вы­со­ким спек­траль­ным раз­ре­ше­ни­ем, не­об­хо­ди­мо толь­ко вы­де­лить ана­ли­тич. ли­нии в спек­тре. Для ре­ги­ст­ра­ции сиг­на­ла по­гло­ще­ния на фо­не не­пре­рыв­но­го спек­тра спек­тро­метр дол­жен об­ла­дать раз­ре­ше­ни­ем не ни­же ши­ри­ны ли­нии по­гло­ще­ния. Ко­ли­че­ст­вен­ную ин­фор­ма­цию о со­ста­ве про­бы по­лу­ча­ют на ос­но­ве по­строе­ния ка­либ­ро­воч­ных кри­вых. См. так­же Атом­но-аб­сорб­ци­он­ная спект­ро­мет­рия.

Ла­зер­но-флуо­рес­цент­ный ана­лиз был пред­ло­жен по­сле по­яв­ле­ния ла­зер­ных ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния, со­че­та­ет пре­иму­ще­ст­ва эмис­си­он­ной и аб­сорб­ци­он­ной ме­то­дик. Ве­ще­ст­во про­бы долж­но быть ато­ми­зи­ро­ва­но или ис­па­ре­но (в слу­чае мо­ле­ку­ляр­но­го ана­ли­за). Ана­ли­тич. сиг­нал по­яв­ля­ет­ся как след­ст­вие се­лек­тив­но­го по час­то­те воз­бу­ж­де­ния флуо­рес­цен­ции ана­ли­зи­руе­мо­го ком­по­нен­та ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем и не тре­бу­ет для сво­ей ре­ги­ст­ра­ции вы­со­ко­го спек­траль­но­го раз­ре­ше­ния. Эта ме­то­дика удоб­на для мо­ле­ку­ляр­но­го ана­ли­за, т. к. в спек­тре флуо­рес­цен­ции мо­ле­кул все­гда есть ком­по­нен­ты, сме­щён­ные по час­то­те от­но­си­тель­но час­то­ты воз­бу­ж­де­ния, что по­зво­ля­ет лег­ко от­де­лять ана­ли­тич. сиг­нал от мощ­но­го воз­бу­ж­даю­ще­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния.

Мо­ле­ку­ляр­ный ана­лиз ре­ша­ет про­бле­мы слож­ных мо­ле­ку­ляр­ных спек­тров, изу­чая ха­рак­те­ри­стич. час­то­ты разл. хи­мич. групп. Наи­боль­шей се­лек­тив­но­стью мо­ле­ку­ляр­ные спек­тры об­ла­да­ют в ближ­ней и сред­ней ИК-об­лас­ти, где рас­по­ло­же­ны ли­нии ко­ле­ба­тель­ных и вра­ща­тель­ных пе­ре­хо­дов. Эта ме­то­ди­ка по­зво­ля­ет не толь­ко ре­шать ана­ли­тич. за­да­чи, но и оп­ре­де­лять мо­ле­ку­ляр­ную струк­ту­ру.

Спек­тро­ско­пия ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния све­та по­зво­ля­ет по­лу­чать ин­фор­ма­цию о ко­ле­ба­тель­ных и вра­ща­тель­ных пе­ре­хо­дах в ато­мах и мо­ле­ку­лах на ос­но­ве ана­ли­за сме­щён­ных ком­по­нент воз­бу­ж­даю­щей ли­нии с по­мо­щью спек­траль­ной тех­ни­ки ви­димо­го диа­па­зо­на. При­ме­не­ние ла­зер­ных ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния су­ще­ст­вен­но рас­ши­ри­ло воз­мож­но­сти этой ме­то­ди­ки, в ча­ст­но­сти по­зво­ли­ло осу­ще­ст­вить дис­тан­ци­он­ный ана­лиз за­гряз­не­ния ат­мо­сфе­ры.

Внут­ри­ре­зо­на­тор­ная ла­зер­ная спек­тро­ско­пия ос­но­ва­на на яв­ле­нии воз­ник­но­ве­ния про­ва­лов в не­пре­рыв­ном спек­тре ла­зер­ной ге­не­ра­ции при вне­се­нии в ре­зо­на­тор ячей­ки с ис­сле­дуе­мым ве­ще­ст­вом. Про­ва­лы воз­ни­ка­ют на мес­тах ли­ний по­гло­ще­ния и со­от­вет­ст­ву­ют мно­го­крат­но­му про­хо­ж­де­нию из­лу­че­ния че­рез по­гло­щаю­щую ячей­ку, при­чём эф­фек­тив­ное чис­ло про­хо­дов оп­ре­де­ля­ет­ся вре­ме­нем раз­ви­тия ге­не­ра­ции. Для эле­мен­тов, ли­нии по­гло­ще­ния ко­то­рых по­па­да­ют в спек­траль­ную об­ласть ге­не­рации ши­ро­ко­по­лос­ных ла­зе­ров, пре­дел чув­ст­ви­тель­но­сти ре­ги­ст­ра­ции до­хо­дит до 10⁴ ато­мов/см³.

См. так­же Ла­зер­но-спект­ро­ско­пи­че­ские ме­то­ды ана­ли­за.

Ещё од­ним ме­то­дом С. а. яв­ля­ет­ся рент­ге­нов­ский спек­траль­ный ана­лиз, опи­раю­щий­ся на изу­че­ние ха­рак­те­ри­стич. рент­ге­нов­ско­го спек­тра. Ме­то­ди­ка не тре­бу­ет спец. под­го­тов­ки про­бы и по­зво­ля­ет вы­яв­лять в со­ста­ве ве­ще­ст­ва поч­ти лю­бые хи­мич. эле­мен­ты.