Научные достижения химического факультета
18.12.2019

Ударим по плазме: химики МГУ придумали быстрый и
легкий способ анализа сплавов и природных руд

Сотрудники Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова модернизировали метод лазерной спектроскопии – ограничили распространение лазерной плазмы в камере прибора. Разработка помогла повысить чувствительность метода при определении ряда элементов (скандий, золото, серебро) в рудах цветных и драгоценных металлов при очень низком содержании.

Изучение характеристик земной поверхности, включая химический состав почв, горных пород, руд, - востребованное направление в современной науке. Для бесконтактного проведения элементного анализа уже широко используется лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (ЛИЭС). Если излучение лазера сфокусировать на твердый образец, происходит его испарение, атомизация и ионизация с образованием плазмы. В методе ЛИЭС состав объектов определяют по оптическим спектрам испускания атомов и ионов в плазме. Положение линий в спектре и их интенсивность обусловлены тем, какие элементы и в каком соотношении содержатся в образце. ЛИЭС применяется для исследования поверхностей дна морей и океанов, изучения труднодоступных объектов, в том числе, на Марсе. Однако приборы ЛИЭС имеют ряд недостатков, среди которых самый существенный – низкая чувствительность (минимальная концентрация элемента в пробе, которую может детектировать прибор).

Чтобы повысить чувствительность, исследователи используют варианты дополнительного воздействия на образец или плазму, что усложняет приборы для ЛИЭС, но зачастую не позволяет добиться положительного эффекта для всех необходимых элементов. В частности, специалистам в области лазерной спектроскопии известен эффект: при пространственном сжатии плазмы интенсивность наблюдаемых линий в спектрах испускания может как увеличиваться, так и уменьшаться. Однако механизм этого явления до сих пор был неизвестен.

"Сотрудники кафедры лазерной химии МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством доцента, к.х.н. Андрея Попова выяснили причину этого эффекта и создали линейку микрокамер разного размера для ограничения разлета плазмы", -- сообщил декан химического факультета МГУ член-корреспондент РАН Степан Калмыков. В ходе экспериментов химики-лазерщики установили механизм изменения интенсивности спектров и показали, что значительное повышение интенсивности линий характерно для атомов в плазме, а для ионов интенсивность спектров практически не меняется.

"Причиной феномена [изменения интенсивности линий при сжатии плазмы] мы считаем перемешивание плазмы и рекомбинацию частиц при прохождении отраженной от стенок камеры ударной волны, возникающей при лазерном испарении пробы, -- пояснил один из авторов исследования, студент 6-го курса химического факультета МГУ Александр Закускин. -- Свое предположение мы подтвердили измерениями температуры и электронной плотности плазмы внутри камеры прибора".

Разработку ученые проверили на образцах сплавов и руд и обнаружили многократное повышение (до 6.5 раз) чувствительности при определении таких металлов как скандий, серебро и золото: менее 1000 ppm скандия в алюминиевом сплаве, 47 ppm золота и 48 ppm серебра в руде. Теперь перед специалистами стоит задача проверить повышение чувствительности с помощью микрокамеры для других элементов. В перспективе новшество позволит расширить сферу применения метода ЛИЭС – самого универсального на сегодняшний день прямого способа определения химического состава объектов. Результаты работы опубликованы в издании Journal of Analytical Atomic Spectrometry, которое поместило фотографию микрокамеры российских специалистов на обложку выпуска.