Методы молекулярной спектроскопии

В абсорбционной спектроскопии используют поглощение электромагнитного излучения в УФ, видимой (традиционно называют спектрофотометрия) и ИК-областях спектра (ИК-спектрометрия). Наибольшее распро­странение получили фотометрические методы анализа, основанные на поглощении в видимой области спектра, т.е. в интервале длин волн 400...760 нм. Энергия фотонов в этих областях спектра достаточна для переходов электронов в молекуле с одного энергетического уровня на другой. Основной вклад в изменение энергии моле­кулы вносит электронный переход, но у молекулы чисто электронный переход не осуществим — он сопровож­дается изменением колебательной и вращательной энергий. Поэтому молекулярный спектр поглощения состоит из множества спектральных линий. Линии с близкой энергией сливаются в одну полосу поглощения. Возвра­щаясь в исходное состояние, молекула чаще теряет поглощённую энергию в виде теплоты, реже — в виде излу­чения. Поскольку возбуждаемых молекул по сравнению с их общим числом мало, выделившаяся теплота не влияет на состояние изучаемой системы.

Количественно поглощение системы излучения описывается законами Бугера—Ламберта—Бера.

Мерой светопоглощения служат величины, называемые пропусканием и оптической плотностью.

Пропускание:

T = I / I₀ или T = (I / I₀) · 100,

где I - интенсивность прошедшего потока;

I₀ - интенсивность падающего потока.

Оптическая плотность:

A = lg1/T = lg I₀ / I

Если раствор образца совсем не поглощает света, пропускание равно 100 %, а оптическая плотность - ну­лю. При полном поглощении света пропускание равно нулю, а оптическая плотность — бесконечности.

Исследования Бугера (1698 - 1758) и Ламберта (1728 - 1777) показали, что оптическая плотность прямо пропорциональна толщине кюветы. Зависимость оптической плотности раствора поглощающего вещества от его молярной концентрации установил Бер (1825 — 1863). Закон, объединяющий в себе обе эти зависимости, называется законом Бугера— Ламберта— Бера. Применительно к спектрофотометрии в УФ-видимой области спек­тра его записывают следующим образом:

A = ε_λlc

где ε_λ - молярный коэффициент поглощения при данной длине волны;

l - толщина поглощающего слоя (кюветы);

с - концентрация поглощающего вещества.

На практике зависимость А от концентрации определяемого вещества при постоянной l и конкретных ус­ловиях аналитического определения изображают в виде градуировочного графика — прямой линии, проходящей через начало координат (рис. 4.1),

Рис. 4.1. Градуировочный график

При этом молярный коэффициент поглощения ε_λ, определяющий предел обнаружения метода, будет ра­вен тангенсу угла наклона градуировачной прямой к оси абсцисс, если концентрация выражена в моль/дм³. Ес­ли концентрация выражена в массовых единицах, тогда угловой коэффициент составит коэффициент поглоще­ния К. Чем больше наклон градуировочного графика к оси концентраций, тем более чувствительным является данный фотометрический метод.

Можно рассчитывать ε_λ по результатам измерения оптической плотности раствора заданной концентра­ции по формуле

ε_λ = A_min /lc

Можно также использовать табличные данные.

Теоретическое значение молярного коэффициента поглощения составляет

ε_λ = n 10⁵

Для наиболее интенсивно окрашенных соединений эта величина обычно составляет ε_λ =п10⁴. Тогда, пользуясь уравнением закона Бугера—Ламберта—Бера, можно определить нижнюю границу диапазона опреде­ляемых содержаний веществ c_min по формуле

c_min = A_min /l ε_λ

Полагая l = 1 см и А_min = 0,005, получим

c_min = 0,005/10⁴· 1 моль/дм³

Если необходимо еще более понизить предел обнаружения, можно увеличить толщину поглощаемого слоя или сконцентрировать вещество, например, экстракцией.

Стенки кюветы рассеивают некоторую долю падающего излучения и вместе с раствором обуславливают частичное поглощение. Для компенсации этого эффекта на практике для измерения l₀ используют идентичную кювету с чистым растворителем.

Наблюдаемые отклонения от закона Ламберта— Бера могут быть вызваны следующими причинами.

• Концентрация поглощающих частиц столь велика, что между ними происходят электростатические взаимодействия.В результате этого оптическая плотность перестаёт быть прямо пропорциональна кон­центрации. В разбавленных растворах электростатические взаимодействия пренебрежимо малы. Поэтому измерения стараются проводить в растворах с концентрацией определяемого вещества не выше 0,01 М.

• В результате побочных реакцийчастиц определяемого вещества между собой (ассоциация, диссоциа­ция) или с растворителем могут получаться продукты с другими малярными коэффициентами поглощения.

• При использовании недостаточно монохроматичного светанаблюдаются отклонение концентраци­онной зависимости оптической плотности от линейности. Этот эффект особенно выражен в случаях, когда мо­лярный коэффициент поглощения сильно зависит от длины волны, т.е. на краях полосы поглощения. Поэтому обычно стараются работать в максимуме поглощения.

• Рассеянный свет также искажает измеренные значения оптической плотности.

Закон аддитивности. Оптическая плотность — экстенсивное свойство вещества. Поэтому оптическая плотность смеси веществ равна сумме оптических плотностей каждого из них. Это справедливо при условии подчинения каждого вещества закону Бугера— Ламберта— Бера и в отсутствии химических взаимодействий меж­ду ними. Итак, для смеси т веществ при одной и той же длине волны имеем

А = ε₁lc₁ + ε₂lc₂ +…..+ ε_mlc_m

Спектры двух веществ и их суммарный спектр представлены на рис. 4.2. Принцип аддитивности (сумми­рования) оптических плотностей широко используют в аналитической химии.

Определение содержания вещества методом спектрофотометрии можно проводить как непосредственно, так и с использованием специальных фотометрических реагентов.

Химические реакции, используемые в фотометрическом анализе, несмотря на различие в их химизме, должны обязательно сопровождаться возникновением или ослаблением светопоглощения раствора.

Рис. 4.2. Спектр поглощения двухкомпонентной смеси:

3 — спектр компонента А; 2 — спектр компонента Б; 3 — суммарный спектр

Как и каждая реакция, используемая в количественном анализе, реакция должна протекать избирательно, быстро, полностью и воспроизводимо.

Кроме того, окраска образующейся аналитической формы должна быть устойчива во времени и к дейст­вию света, а поглощение раствора, несущее информацию о концентрации поглощающего вещества, должно подчиняться физическим законам, связывающим поглощение и концентрацию, конкретно — закону Бугера— Ламберта-Бера.

В неорганическом фотометрическом анализе наиболее часто используют реакции комплексообразования ионов определяемых элементов с неорганическими и, особенно, с органическими реагентами; реже — реакции окисления-восстановления, синтеза и других типов. В органическом фотометрическом анализе чаще применя­ют реакции синтеза окрашенных соединений, которыми могут быть азосоединения, полиметиновые и хинони-миновые красители, ациформы нитросоединений и др. Иногда используют собственную окраску веществ.

Основными параметрами, которые следует учитывать при выборе оптимальных условий фотометрических определений, являются длина волны, оптическая плотность, толщина светопоглощающего слоя и концентрация окрашенного вещества.

Условия и последовательность фотометрического определения вещества следующие:

1 Выбор фотометрической формы вещества, т.е. соединение, в которое переводят вещество для измере­ния оптической плотности, с учетом ε_λ и наличия других компонентов в анализируемом объекте.

2 Измерение спектра поглощения и выбор оптимальной длины волны, как правило, это максимум по­глощения. Однако если примесь при этой длине волны поглощает, то лучше выбирать другую область спектра.

3 Исследование влияния посторонних веществ на оптическую плотность.

4 Установление области концентраций подчинения закону Бугера—Ламберта—Бера. Для этого используют стандартные растворы определяемого вещества различных концентраций, проводят фотометрическую реакцию и одновременно готовят холостой раствор (не содержащий определяемое вещество). Подбирают кювету так, чтобы оптическая плотность раствора с наименьшей концентрацией была не менее 0,05...0,1, а с самой высокой не более 0,8... 1,0 и толщина поглощающего слоя l < 5 см. Наименьшая ошибка при значении А = 0,434; наи­большая — если 1,5 <А<0,01.

Измеряют оптическую плотность всех растворов. Если график зависимости А = f(c) представляет собой прямую линию, то растворы подчиняются закону Бугера—Ламберта—Бера (полученную прямую используют в качестве градуировочного графика).

5 Проведение расчётов по определению концентрации вещества, находящегося в растворе. Существует несколько приёмов фотоэлектрических измерений: метод градуировочного графика; метод молярного коэффи­циента поглощения; метод добавок; метод дифференциальной фотометрии; метод спектрофотометрического титрования. Чаще всего применяется метод градуировочного графика.

6 Проверка результата анализа, оценка его воспроизводимости и выдача окончательного результата с метрологической оценкой.

На практике часто возникает задача определения двух или более компонентов, находящихся в одном рас­творе. При некоторых условиях возможно их одновременное определение без предварительного разделения. В простейшем случае вещества поглощают при разных длинах волн, и анализ смеси сводится к определению ка­ждого компонента в отдельности. Если же спектры веществ перекрываются, то для анализа смеси используют один из методов, основанных на законе аддитивности оптических плотностей. Из них наиболее известен метод Фирордта, заключающийся в измерении оптической плотности смеси при нескольких длинах волн и составле­нии системы уравнений, включающих неизвестные концентрации компонентов смеси. Применение метода Фи­рордта требует подчинения растворов обоих компонентов основному закону светопоглощения и предваритель­ного определения молярных коэффициентов поглощения при двух длинах волн.

В спектрофотометрии в отличие от фотометрии исследуют поглощение монохроматического света, т.е. из­лучения в узком интервале длин волн (±1—2 нм). В связи с этим повышается точность определений и снижает­ся предел обнаруживаемых концентраций. Поэтому спектрофотометрический метод особенно пригоден для определений малых количеств веществ. Другим преимуществом является возможность исследования бинарных и многокомпонентных систем, включая ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра.

Аппаратура для измерения поглощения света. Прибор для измерения светопоглощения должен выполнять две основные задачи:

1 разложение полихроматического света и выделение нужного интервала длин волн;

2 измерение поглощения света веществом.

Каждый спектральный прибор включает: источник излучения, устройство для выделения нужного интер­вала длин волн (монохроматор или светофильтр), кюветное отделение, детектор, преобразователь сигнала, ин­дикатор сигнала. Порядок расположения узлов может быть разным (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Основные узы абсорбционных приборов

Источники. В молекулярной абсорбционной спектроскопии в качестве источника в основном используют лампы накаливания, испускающие непрерывное излучение. В УФ-области применяют водородные, дейтериевые, ксеноновые лампы, излучающие свет с длинами волн не менее 350 нм. Это газоразрядные трубки, пред­ставляющие собой баллоны из кварца, заполненные газом под высоким давлением. В результате электроразряда молекулы газа возбуждаются и возвращаются в исходное состояние, испуская непрерывный спектр. В ближней УФ, ви­димой и ближней ИК-областях (350...3000 нм) применяют вольфрамовые лампы, штифты Нернста, галогено-вые лампы, нихромовые излучатели, глобаторы, лазеры.

Монохроматоры и светофильтры. В зависимости от способа монохроматизации различают два класса аб­сорбционных приборов: фотометры и спектрофотометры. В фотометрах используют светофильтры, в спектро­фотометрах — призмы и дифракционные решетки.

Кюветы. В абсорбционной спектроскопии измеряют не абсолютные значения оптической плотности, а разность оптических плотностей исследуемого раствора и раствора сравнения, оптическая плотность которого принята за нуль. Кювету с исследуемым раствором называют рабочей, а с раствором сравнения — кюветой сравнения. Кюветы должны быть прозрачны в области спектра, в которой ведётся измерение оптической плот­ности. Для работы в видимой области кюветы изготавливают из стекла, а в ультрафиолетовой — из кварца.

Детекторы. Для приёма сигнала в видимой и УФ-областях обычно применяют сурьмяно-цезиевый (180...650нм) и кислородно-цезиевый (600... 1100 нм) фотоэлементы, а также фотоумножители.

К этим основным узлам следует добавить оптическую систему, состоящую из линз, зеркал и призм. Они служат для создания параллельного пучка света, изменения его направления. Для уравнения световых потоков служат диафрагмы, оптические клинья.

Фотоэлектроколориметры (ФЭК) имеют простую конструкцию и пригодны для измерения концентраций веществ в видимой и ближней УФ-области. Спектрофотометры имеют более сложную конструкцию, их приме­няют для получения спектров поглощения и для измерения концентраций веществ. Оптические детали изготав­ливают из кварца, что позволяет измерить светопоглощение в видимой и УФ-области.

В зависимости от способа измерения различают одно- и двухлучевые приборы, от способа регистрации — регистрирующие и нерегистрирующие.

В двухлучевых приборах излучение от источника разделяется на два потока. Один из них проходит через исследуемый раствор, другой — через раствор сравнения. Оба оптических пути должны быть идентичны; для этого прибор снабжён двумя идентичными наборами светофильтров, детекторов, зеркал и линз. В современных приборах стремятся заменить пару деталей (например, детекторов) одной. Для регистрации сигнала, как прави­ло, используют компенсационную схему, основанную на уравнивании фототоков регулированием щели.

Двухлучевые спектрофотометры построены по тому же принципу, что и фотоэлектроколориметры, но схемы их более сложны. К ним относятся SPECORD 250, SPEKOL 2000 и др.

В однолучевых приборах излучение от источника проходит только через кювету сравнения или кювету с исследуемым раствором поочередно (например, SPECORD 40, СФ-46).

Однолучевой спектрофотометр СФ-46 (рис.4.4) со встроенной микропроцессорной системой предназна­чен для измерения коэффициента пропускания и оптической плотности жидкостей и твёрдых веществ в области 190...1100 нм. Диспергирующим элементом для сканирования излучения по длине волны служит дифракцион­ная решётка. Источниками сплошного излучения, обеспечивающими работу прибора в широком диапазоне длин волн, служат дейтериевая лампа (область 186...350 нм) и лампа накаливания (320... 1100 нм). Приёмника­ми излучения (болометрами) служат соответственно сурьмяно-цезиевый (в области 186...650 нм) и кислородно-цезиевый (в области 600... 1100 нм) фотоэлементы.

Кроме первичных оптических характеристик исследуемых веществ (коэффициента пропускания и оптиче­ской плотности), конструкция спектрофотометра СФ-46 позволяет определить концентрацию анализируемых веществ (с помощью микропроцессорной системы), а также скорость изменения оптической плотности, что важно для изучения кинетики химических реакций в растворах.

Типы приборов, используемых для фотометрических измерений приведены в табл.1.

Таблица 1. Типы приборов, используемых для фотометрических измерений

Наименование и тип прибора	Спектральный диапазон
Колориметр фотоэлектрический концентра­ционный КФК-2	315... 980 нм
Колориметр фотоэлектрический концентра­ционный КФК-2МП	315... 990 нм
Колориметр фотоэлектрический концентра­ционный КФК-3	315... 990 нм
Спектрофотометр СФ-2000	190... 1100 нм
Спектрофотометр SPECORD 250	190... 1100 нм
Спектрофотометр SPEKOL 2000	190... 1100 нм
Спектрофотометр SPECORD 40	190... 1100 нм
ИКС-25	4000... 250 см'^1
ИКС-29	4000... 400 см'^1
Флюорат-02	Универсальный

Методы спектрофотометрии:

Метод УФ-спектрофотометрии основан на определении веществ по собственному поглощению света. Многие органические соединения, растворённые в том или ином растворителе, характеризуются способностью поглощать УФ-лучи. Анализ проводят без предварительной обработки исследуемого раствора, он основан только на собственном поглощении определяемых веществ. При таких определениях достигается довольно вы­сокая чувствительность (0,2...0,5 мкг/см³). В качестве растворителей используют воду, этилен, гексан, гептан, изооктан и др. Очень важно, чтобы растворитель не содержал примесей, поглощающих в той же области, что и исследуемые вещества. Измерения светопоглощения проводят главным образом в диапазоне 220...370 нм. При более низких значениях длин волн сильнее сказывается влияние посторонних веществ. Метод УФ-спектрофотометрии применяют при анализе пестицидов и при контроле вредных веществ (ан­тибиотиков) на предприятиях фармацевтической промышленности на участках сушки и фасовки препаратов, где сопутствующие примеси практически отсутствуют.

Нефелометрия и турбидиметрия. При прохождении света через дисперсные системы (аэрозоли, суспен­зии, эмульсии) происходит рассеяние или поглощение излучения частицами дисперсной фазы. Это явление по­ложено в основу нефелометрии и турбидиметрии.

Нефелометрический метод основан на измерении интенсивности света, рассеянного взвешенными части­цами. При турбидиметрическом методе анализа измеряют ослабление интенсивности светового потока при прохождении через дисперсную систему. Чувствительность нефелометрических и колориметрических методов примерно одинакова, но первые характеризуются несколько более высокими погрешностями измерений. Оте­чественная промышленность выпускает нефелометр жидкостной фотоэлектрический с микро-ЭВМ типа НФО и турбидиметр фотоэлектрический УФ.

Инфракрасная спектрометрия. Спектры поглощения в инфракрасной области связаны с изменением ко­лебательного и вращательного энергетического состояния молекул и содержат чрезвычайно специфичную ин­формацию о строении химических соединений и наличии в их молекулах различных функциональных групп. Вследствие этого ИК-спектрометрия стала высокоэффективным методом идентификации органических ве­ществ и расшифровки их структуры. ПК-область спектра — 0,8...200 мкм.

С целью снижения влияния содержащихся в атмосферном воздухе CO₂ и паров воды (интенсивно погло­щающих излучение в фундаментальной области спектра 2,5...50 мкм) в ИК-спектрометрах используют двулучевые оптические системы.

В качестве источника излучения применяют глобар и штифт Нернста. Глобар представляет собой стер­жень из карбида кремния, нагреваемый электрическим током до 1300...1700 °С, а штифт Нернста в виде полого стержня длиной 3 см изготовляют из оксидов циркония и иттрия.

Ввиду того, что стекло плохо пропускает ПК-лучи, в ИК-спектрометрах используют отражающую, а не пропускающую оптику и применяют монохроматоры с дифракционной решёткой. Многие типы фотоэлементов нечувствительны к электромагнитному излучению с длиной волны более 1 мкм, поэтому ПК-излучение обнаруживают и измеряют по вызываемому им тепловому эффекту с помощью чувствительной термопары, термо­метра сопротивления или полупроводниковых и пневматических детекторов.

Пробы, исследуемые методом ИК-спектрометрии, могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными. Чаще всего имеют дело с жидкими пробами, кюветы для которых представляют собой две пластины из прозрачного для ИК-излучения материала с очень незначительным зазором между ними. Жидкие пробы вводят в кюветы с помощью шприца, а при использовании разборных кювет пробу наносят на одну из пластин, к которой затем прижимают другую и закрепляют в специальном держателе. Кюветы для газообразных проб аналогичны жид­костным, но имеют большие размеры поглощающего слоя (5... 10 см). При определении в газе микропримесей торцы стен кюветы заменяют полированными зеркальными поверхностями, многократно отражающими ИК-излучение и тем самым существенно увеличивающими эффективную толщину поглощающего слоя (1... 100 м).

Исследование твёрдых образцов может быть осуществлено наиболее просто путём растворения их в соот­ветствующей жидкости. Для растворения твёрдых органических веществ в практике ИК-спектрометрии приме­няют тетрахлорметан, хлороформ и сероуглерод.

Твёрдые пробы, нерастворимые в обычных жидких средах, готовят к анализу путём тщательного измель­чения с таким расчётом, чтобы размеры частиц не превышали длину волн используемой области ИК-спектра (2...3 мкм). Типы приборов для исследований в ИК-области спектра представлены в табл. 5.1.

Флуориметрический метод анализа основан на возбуждении электронных спектров испускания молекул определяемого вещества при внешнем УФ-облучении и измерении интенсивности их фотолюминесценции. Для возникновения явления люминесценции молекулы вещества необходимо перевести из основного состояния в возбуждённое с длительностью его существования, достаточной для осуществления излучательного электрон­ного перехода из возбуждённого состояния в основное.

Флуоресценция — это процесс излучательного перехода с низшего возбуждённого синглетного состояния в основное. Длительность этого процесса составляет порядка 10^-9...10^-7с. Энергия фотона, испущенного в ре­зультате флуоресценции, ниже, чем энергия поглощённого фотона. Поэтому спектр флуоресценции молекулы находится в области более длинных волн по сравнению с её же спектром поглощения (правило Стокса - Ломмеля).

Видно, что эти спектры зеркально симметричны друг другу. Причина состоит в схожести строения колеба­тельных уровней энергии в основном и возбуждённом состоянии.

Фосфоресценция — свечение, продолжающееся некоторое время и после прекращения его возбуждения. Эти явления объясняются неодинаковым механизмом возвращения возбуждённой молекулы в основное состоя­ние. Длительность процесса фосфоресценции составляет 10^-3...10 с.

В люминесцентном методе анализа зависимость аналитического сигнала (интенсивности люминесценции) от концентрации вещества сложнее, чем в абсорбционном (закон Бугера—Ламберта—Бера). Она зависит от кван­тового выхода люминесценции Q. Важно отметить, что, в отличие от оптической плотности, интенсивность люминесценции прямо пропор­циональна интенсивности источника света. Чем выше интенсивность источника, тем больше и аналитический сигнал.

По сравнению с методом абсорбционной спектроскопии люминесцентный метод характеризуется более широким динамическим диапазоном концентраций, достигающим трёх порядков (10^-7. .. 10^-4М).

В то же время область линейности градуировочной зависимости в люминесцентном методе невелика. С ростом концентрации (особенно при концентрациях выше 10 ^-4 М) градуировочный график заметно отклоняется вниз. Причинами являются эффект концентрационного тушения люминесценции и самопоглощение.

Тушение люминесценции происходит в результате столкновения возбуждённой молекулы с другими мо­лекулами. Самопоглощение состоит в поглощении части испускаемого света слоем люминесцирующего веще­ства.

Для измерения флуоресценции используют спектрофлуориметры и флуориметры, для измерения фосфо­ресценции — фосфориметры.

Люминесценцию широко применяют для определения органических веществ (например, витамины, лекар­ства, наркотики). В неорганическом анализе люминесцентный анализ используют в основном для определения редкоземельных элементов, а также малых количеств примесей в полупроводниковых материалах.

Отечественная промышленность выпускает спектрофотометр Флюорат-02.

Дата добавления: 2015-06-27