Лазерный спектральный анализ

ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ (а. laser spectrum analysis; н. Laserspectralanalyse; ф. analyse spectrale aux rayons lazer; и. analisis espectral laser) — качественное и количественное определение элементного и молекулярного состава вещества путём исследования его спектров, получаемых с помощью лазерного излучения. Использование лазеров обеспечивает предельные значения наиболее важных для спектрального анализа характеристик: чувствительность на уровне детектирования единичных атомов и молекул, избирательность вплоть до регистрации частиц с определёнными квантовыми характеристиками в смеси частиц, предельное спектральное (до полного устранения влияния прибора) и временное (до 10-14 с) разрешение, возможность дистанционного анализа (до нескольких километров). Лазерный спектральный анализ используется, как правило, в тех случаях, когда требуемые от анализа характеристики не могут быть получены с помощью традиционных методов и приборов спектрального анализа.

Лазерный атомный анализ основан на переводе исследуемого вещества в состояние атомного пара, просвечивании этого пара лазерным излучением на частотах, резонансных частотам возбуждения атомов анализируемого элемента, и регистрации флуоресценции возбуждённых атомов (атомно-флуоресцентный анализ) или образующихся при ступенчатой фотоионизации ионов (атомно-фотоионизационный анализ). Для лазерного атомного анализа пределы обнаружения элементов в реальных образцах горных пород, морской воде, донных осадках и высокочистых материалах на уровне 10-8-10-11%, в чистых водных растворах элементов достигают 10-12%. Для всех элементов чувствительность лазерного спектрального анализа на 1-3 порядка выше, чем для наиболее чувствительного атомно-абсорбционного анализа. Лазерный атомный анализ незаменим при определении следовых концентраций элементов и исследовании их распределения в природных водах и земной коре, определении предельно малых содержаний редких и благородных металлов в технологических растворах при переработке руд, при поиске новых месторождений редких элементов по ореолам их рассеяния и т.п.

В основе лазерного молекулярного анализа лежит способность молекул избирательно поглощать или рассеивать лазерное излучение частоты, соответствующей их электронно-колебательно-вращательным переходам. О процентном молекулярном составе вещества судят по величине прошедшего через него, поглощённого, переизлученного или рассеянного в нём света или по величине зарегистрированных продуктов фотодиссоциации или фотоионов молекул в зависимости от частоты возбуждающего излучения.

Чувствительность анализа при детектировании прошедшего через вещество лазерного излучения (абсорбционный метод), например при определении содержания молекул NO и CO в пробах атмосферного воздуха или при измерениях в атмосфере, составляет 10^-4-10^-6%. Анализ более сложных молекул, в частности углеводородов, проводят с использованием специфического для лазеров эффекта насыщения поглощения, позволяющего выявить структуру в перекрывающихся спектрах поглощения молекул. Портативные приборы на основе абсорбционного метода могут быть использованы при газо- и нефтеразведке, для контроля содержания в забое рудничного и других газов.

При регистрации поглощённой в веществе доли излучения (оптико-акустический метод) чувствительность обнаружения определённых примесей в смеси, например молекулярных загрязнений в воздухе, достигает 10^-6-10^-7%. В сочетании с временным разделением компонентов смеси методами хроматографии оптико-акустический метод пригоден в нефтехимии (для анализа сложных углеводородных смесей), в геологии и сейсмологии (для измерения концентрации и вариаций изотопного состава молекулярных газов для нефтеразведки и прогнозирования землетрясений).

Метод комбинационального рассеяния света используется для дистанционного анализа загрязняющих атмосферу промышленных и вулканических выбросов. На расстояниях 100 м чувствительность обнаружения ряда газов в шлейфе выбросов из заводских труб и в атмосфере находится на уровне 10^-2-10^-4%.