Optická emisní spektrometrie s buzením v doutnavém výboji (GDOES)

Optická atomová emisní spektrometrie je jednou z klasických metod přímé chemické analýzy z pevného vzorku, tedy bez převedení do roztoku. K buzení emisních spekter se používají různé typy elektrických výbojů, jako je jiskrový výboj, elektrický oblouk a doutnavý výboj. My se budeme věnovat optické emisní spektrometrii s buzením v doutnavém výboji, známé pod zkratkou GD-OES (Glow Discharge Optical Emission Spectrometry).

K analýze metodou GD-OES je třeba vzorek materiálu, na kterém existuje rovinná ploška, jejíž lineární rozměr je alespoň několik milimetrů. Takový vzorek se umístí do excitačního zdroje zvaného Grimmova výbojka, a to tak, že je vodivě spojen s katodou a zároveň odděluje vnitřní prostor výbojky od atmosféry. Výbojka se uvnitř vyčerpá, napustí se pracovním plynem, obyčejně argonem, a při pracovním tlaku v řádu stovek Pa se zapne vysoké napětí (typicky 700-1200 V).

Uvnitř výbojky v dutině anody vznikne doutnavý výboj, ve kterém analyzovaný vzorek plní funkci katody. Pracuje se s proudovými hustotami 200-500mA/cm2, průměr anody je obyčejně 4 mm. Těžké ionty argonu z plazmatu doutnavého výboje jsou urychlovány elektrickým polem směrem k povrchu vzorku, na který s velkou energií dopadají, a vyrážejí atomy původně vázané v krystalové mřížce vzorku. Tyto atomy se dostávají do oblasti plazmatu s velkou koncentrací volných elektronů, zde jsou zejména ve srážkách s elektrony excitovány a při deexcitaci vysílají charakteristické záření – atomové emisní spektrum složení ze spekter prvků přítomných ve vzorku. Toto spektrum se analyzuje optickým spektrometrem.

Výše popsaný způsob atomizace vzorku se nazývá katodové rozprašování (sputtering) a má tu důležitou vlastnost, že povrchové vrstvy vzorku jsou odbourávány postupně v tom pořadí, v jakém jsou uloženy směrem do hloubky vzorku. Registrujeme-li tedy signál na jednotlivých detektorech jako funkci času, dostáváme informaci o rozložení příslušného prvku v závislosti na hloubce pod povrchem. Tímto způsobem lze změřit hloubkový koncentrační profil všech prvků přítomných ve vzorku. Typické rozprašovací rychlosti jsou v řádu několika mikrometrů za minutu a závisejí na elektrických podmínkách výboje a typu analyzovaného materiálu.