Физико-химические методы анализа

Концентрацию определяемого вещества в анализируемом рас- творе при спектрофотометрических измерениях находят, как и в фо- тоэлектроколориметрии, с использованием либо основного закона светопоглощения, либо градуировочных графиков.

Спектрофотометрические методы обладают, по сравнению с фо- тоэлектроколориметрическими, большей точностью и чувствительно- стью, позволяют проводить анализ многокомпонентных систем без разделения компонентов, определять вещества, не поглощающиеся в видимой области спектра.

Спектрофотометрия позволяет не только проводить измерение оптической плотности при фиксированной длине волны, но и полу- чать спектры поглощения в широком спектральном диапазоне.

Из всех фотометрических методов метод спектроскопии приме- няется наиболее широко при анализе самых различных объектов не- органической и органической природы.

6.3. Практическое применение. Фотометрические и спектрофотометри- ческие методы анализа применяются для определения многих (более 50) элементов периодической системы, главным образом металлов. Методами абсорбционной спектроскопии анализируются руды, минералы и иные природные объекты, продукты переработки обогатительных и гидроме- таллургических предприятий. Эффективно используются эти методы в ме- таллургической, электронной, химической и других отраслях промышлен- ности, в медицине, биологии и т.д. Большое значение они имеют в анали- тическом контроле загрязнений окружающей среды и решении экологиче- ских проблем.

6.4. Общая характеристика метода. Методы абсорбционной спектроско- пии имеют высокую чувствительность (низкий предел обнаружения), они избирательны и точны. Методы могут быть применены для анализа боль- ших и малых содержаний, но особенно ценной их особенностью является возможность определения примесей (до 10^-5 … 10^-6 %). Большое значение имеет избирательность многих фотометрических методов, позволяющая проводить определения элементов в сложных пробах без химического раз- деления компонентов. Погрешность фотометрических методов обычно со- ставляет 3 … 5 %, уменьшаясь в благоприятных случаях до 1 … 2 % и не- редко до 0,5 … 1 %.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность основных законов светопоглощения?

2. Какие методы адсорбционного анализа существуют?

3. Назовите спектры поглощения и дайте характеристику.

4. Чем отличаются инфракрасные спектры от спектров комбина- ционного рассеивания?

Практическое задание: начертите схему приборов для молеку- лярного анализа.

Лекция № 7. АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

Теоретические основы. Атомно-адсорбционный анализ предло- жен Уолшем в 1955 году. Метод сразу получил признание.

Метод атомно-абсорбционной спектроскопии основан на по- глощении электромагнитного излучения атомами вещества в свобод- ном состоянии. При поглощении кванта света hн переходит в возбуж- денное состояние А^*:

где h - постоянная планка, равная 6,625·10^-34кДж·с; н - частота, опре- деляемая условием частот Бора,

где Е_А* и Е_А - энергия атома в возбужденном и основном состояниях соответственно.

Наиболее вероятным изменением энергетического состояния атома при возбуждении является его переход на уровень, ближайший к основному энергетическому состоянию, т.е. резонансный переход. Если на невозбужденный атом направить излучение с частотой, рав- ной частоте резонансного перехода, кванты света будут поглощаться атомами и интенсивность излучения будет уменьшаться. Использо- вание этих явлений составляет физическую основу атомно- абсорбционной спектроскопии. Таким образом, если в эмиссионной спектроскопии концентрация вещества связывалась с интенсивно- стью излучения, которое было прямо пропорционально числу возбу- жденных атомов, то в атомно-абсорбционной спектроскопии анали- тический сигнал (уменьшение интенсивности излучения) связан с числом невозбужденных атомов.

В целом атомно-абсорбционный анализ регистрирует поглоще- ние узкой линии излучения атомами, находящимися в невозбужден- ном состоянии и обладающими узким пиком поглощения. Поэтому наряду с высокой селективностью этот метод практически свободен от эффектов спектрального наложения, столь характерных для эмис- сионной спектроскопии. Мало чувствителен метод и к изменениям температуры пламени.

Благодаря высокой чувствительности и селективности, метод позволяет работать с малыми количествами веществ. Предваритель- ная обработка анализируемых образцов сводится к минимуму, а из- мерительные операции просты и не требуют много времени.

Основные узлы приборов. К основным узлам установки относятся источник излучения, пламя, монохроматизатор и приемник света.

Источником излучения является обычно лампа с полым като- дом, содержащим определяемый элемент. Катод такой лампы изго- тавливают в виде металлического стаканчика, в котором происходят испарение вещества и возбуждение атомов элементов при электриче- ском разряде в атмосфере инертного газа под небольшим давлением (~10² Па). Катоды, изготовленные из элементов с относительно низ- кими температурами плавления, легко разрушаются. Для определе- ния таких элементов используют графитовые катоды, пропитанные солями определяемых элементов. Анод в виде металлического стержня размещают рядом с катодом и оба электрода помещают в стеклянный баллон со стеклянным или кварцевым окошком. Лампа питается током от высокочастотного выпрямителя - стабилизатора, дающего напряжение 500 … 600 В с колебаниями, не превышающи- ми сотых долей процента.

Пары материала катода и других веществ, находящихся на внут- ренней поверхности катода, попадают в плазму вследствие катодного распыления и испарения в процессе разряда при 200 … 300 В и 5 … 30 мА. В спектре свечения при температуре около 800 К в полом ка- тоде наблюдается резонансные частоты этих элементов. Анализируе- мое вещество в виде раствора подается в пламя горелки, где при 2000

… 3000°С происходит испарение растворителя и атомизации пробы.

Существует два вида атомизаторов. Пламенные атомизаторы представляют собой горелки, аналогичные используемым в эмисси- онной спектроскопии, обычно с предварительным смешением компо- нентов. В качестве горючей смеси используют смесь воздуха с ацети- леном (2200°С) или оксид азота с ацетиленом (3000°С). Пламенные

атомизаторы легко доступны, недороги, их широко применяют в ана- литической практике. Поскольку уменьшение интенсивности излуче- ния пропорционально толщине светопоглощающего слоя, горелки имеют специальную конструкцию, обеспечивающую постоянную и достаточно большую длину поглощающего слоя пламени (5 … 10 см).

Электротермические атомизаторы представляют собой высо- котемпературные печи специальной конструкции с температурой до 3000°С. Основная деталь этих атомизаторов - графитовая кювета, ко- торую нагревают с помощью электрического тока. Пробу в виде рас- твора вводят в кювету, где сначала испаряется растворитель. Затем быстро повышают температуру, используя дугу постоянного тока или электроконтактный нагрев. При этом проба быстро (за доли секунды) испаряется и диссоциирует на атомы. Сконструировано несколько типов графитовых кювет, наиболее стабильные результаты получают при использовании кюветы Львова, которая представляет собой трубчатую печь с графитовым электродом в центре. Обычно графи- товую кювету наполняют инертным газом. В качестве монохромати- заторов применяют призмы или дифракционные решетки. В качестве приемника света используют фотоэлементы или фотоумножители.

Результат анализа в атомно-абсорбционных методах зависит главным образом от числа невозбужденных атомов, которое в извест- ных пределах сравнительно мало изменяется с температурой. Это уменьшает эффекты взаимного влияния компонентов пробы на ана- литический сигнал.

В атомно-абсорбционной спектроскопии практически полностью исключена возможность наложения линий различных элементов, так как в условиях атомно-абсорбционного анализа число линий в спектре значи- тельно меньше, чем в эмиссионной спектроскопии.

Количественные определения. Уменьшение интенсивности ре- зонансного излучения в условиях атомно-абсорбционной спектроско- пии подчиняется экспоненциальному закону убывания интенсивно- сти в зависимости от длины слоя и концентрации вещества, анало- гично закону Бугера-Ламберта-Беера. Если I₀ - интенсивность па- дающего монохроматического света, а I - интенсивность этого света, прошедшего через пламя, то величину lg(I₀/ I) можно назвать оптиче- ской плотностью. Концентрационная зависимость оптической плот- ности выражается уравнением

где k - коэффициент поглощения; l - толщина светопоглощаю- щего слоя (пламени); c - концентрация.

Постоянство толщины светопоглощающего слоя, т.е. пламени, достигается с помощью горелок специальной конструкции.

Оптическая плотность согласно вышеприведенной формуле прямо пропорциональна концентрации вещества. Опыт показывает, что зависимость оптической плотности от концентрации часто оказы- вается не строго линейной. Отклонения от линейности вызываются несколькими причинами, среди которых наиболее существенное зна- чение имеют такие, как нестабильность работы различных узлов спектрофотометра (источника возбуждения и др.), немонохроматич- ность линий испускания, вызванная сверхтонкой структурой, образо- вание в пламени различных соединений определяемых элементов с кислородом или сопутствующими элементами и т.д. В практике ана- лиза обычно применяют метод градуировочного графика или метод добавок.

В методе градуировочного графика измеряют оптическую плот- ность нескольких стандартных растворов и строят график в коорди- натах А - с. Затем в тех же условиях определяют оптическую плот- ность анализируемого раствора и по градуировочному графику нахо- дят его концентрацию.

При работе по методу добавок сначала измеряют оптическую плотность анализируемого раствора (А_х), затем вводят в анализируе- мый раствор определенный объем стандартного раствора и снова из- меряют оптическую плотность (А_х+сm).

Если с_х - концентрация анализируемого раствора, а с_сm стан- дартного, то

Учитывая, что k и l одинаковы, получаем

И окончательно

с_х = с_сm.(2)

Метод применим для систем, подчиняющихся в исследуемой облас- ти концентраций уравнению (1). Можно использовать также графический метод нахождения с_х на основе уравнения (2), откладывая на графике А_х+сm как функцию

Практическое применение. Методы атомно-абсорбционной спектро- скопии могут быть использованы в анализе практически любого техниче- ского или природного объекта, особенно там, где необходимо определять небольшое содержание элементов. Методики атомно-абсорбционного оп- ределения разработаны более чем для 70 элементов (Mg, Zn, Cu, Ca, Pb, Fe, Ag, Ni, Hg, Cd, Bi и др.). Из технических объектов методами атомно- абсорбционной спектроскопии анализируют металлы, сплавы, продукты гидрометаллургической переработки руд, различные концентраты и т.д. Например, в золоте определяют серебро, свинец, медь и цинк при содер- жании 10^-4%. Примерно такие же концентрации кадмия и свинца находят в цирконии. Успешно применяются атомно-абсорбционные методики для определения цинка, железа, магния, меди и некоторых других элемен- тов в почвах, удобрениях, растениях и других агрохимических мате- риалах при содержании порядка 10^-4 или 10^-5 %. Атомно- абсорбционный метод используется также в клинических и различ- ных биологических анализах (кровь, сыворотка и т.д.) на свинец, ртуть, висмут и другие элементы.

7.1. Общая характеристика метода. Атомно-абсорбционный спек- тральный анализ получил широкое распространение в практике вследствие многих своих достоинств. Важным достоинством атомно- абсорбционного метода является наличие менее жестких требований, чем в эмиссионной спектроскопии, к условиям получения погло- щающей плазмы, поскольку аналитический сигнал зависит от числа невозбужденных атомов, которое сравнительно мало меняется при небольших колебаниях температуры. Также существенно, что число линий в спектре в условиях атомно-абсорбционного анализа невелико, поэтому наложения аналитических линий практически не происходит, хотя неселективное поглощение остается значительным. Предел обна- ружения с помощью атомно-абсорбционного анализа для многих эле- ментов характеризуется величиной порядка 10^-5 … 10^-6 %. Погрешность определения обычно составляет 5 % и в зависимости от различных усло- вий изменяется в пределах от 3 до 10 %.

Метод имеет также ряд ограничений. Атомно-абсорбционным мето- дом не определяются элементы, резонансные линии которых лежат в дале- ком ультрафиолете (углерод, фосфор, галогены и др.). Необходимость рас- творения пробы также можно рассматривать как недостаток, поскольку эта операция удлиняет анализ. Однако работа с растворами упрощает этало- нирование и обеспечивает высокую воспроизводимость результатов. К существенным недостаткам метода относится невозможность одновременного определения нескольких элементов, хотя для этого имеются все предпосылки. Необходимо отметить также, что помимо чисто аналитиче- ского применения атомно-абсорбционная спектроскопия используется для определения силы осциллятора, коэффициентов диффузии, давления на- сыщенных паров и т.д.

Контрольные вопросы

1. Какова функция монохроматизатора в атомно-абсорбционных при- борах?

2. В чем преимущества и недостатки водородного пламени?

3. Какиеэлементыможноопределитьатомно-абсорбционным методом?

Практическое применение: изобразите принципиальную схему атомно-абсорбционной установки.

Лекция № 8. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ

Теоретические основы. Люминесцентный анализ - совокуп- ность оптических методов анализа, основанных на явлении люминес- ценции. Согласно определению С.И. Вавилова люминесценцией на- зывают свечение, избыточное над температурным и обладающее дли- тельностью не менее чем 10^-10с, что превышает период световых ко- лебаний, т.е. свечение вещества, возникающее при его возбуждении различными источниками энергии. От излучения нагретых тел она отличается своей неравновесностью: люминесценция практически не использует тепловую энергию излучающей системы, поэтому ее час- то называют холодным светом.

Люминесценция возникает в результате электронного перехода при возвращении частиц из возбужденного состояния в нормальное. Поглоще- ние молекулой кванта света осуществляется за очень короткое время, затем происходит переход электрона на нижний колебательный подуровень воз- бужденного состояния. Таким образом, молекула преобразует поглощен- ную энергию в собственное излучение. Возвращение молекулы из нижнего колебательного состояния в невозбужденное состояние может произойти тремя путями:

1. Потеря молекулой энергии в виде теплоты в результате столкновений с другими частицами (процесс внутренней конверсии).

2. Возвращение молекулы на любой колебательный подуро- вень основного состояния с испусканием энергии в виде кванта света без изменения спина электрона (флуоресцен- ция).

3. Переход молекулы из возбужденного состояния в метаста- бильное состояние, а затем в основное либо в результате внутренней конверсии с выделением теплоты, либо с выде- лением кванта света (фосфоресценция).

Происхождение люминесцентного излучения поясняется схемой на рисунке 1. Здесь схематически изображены основной и возбужденные (синглетный и триплетный) электронные уровни молекулы.

Рис. 1. Схема энергетических уровней молекулы, поясняющая возникновение люминесцентного излучения: - электронные уровни, V-колебательные

На каждый электронный уровень накладываются колебательные подуровни с квантовыми числами 0, 1, 2, 3, и т.д. При поглощении кванта света электрон переходит с основного уровня на более высо- кий, соответствующий возбужденным синглетному (антипараллель- ные спины) и триплетного (параллельные спины) состояниям. Пря- мой переход основного синглетного в возбужденное триплетное со-стояние запрещен по спину и практически не наблюдается. Энергия триплетного состояния несколько меньше, чем синглетного. Три- плетные уровни могут заполняться за счет интеркомбинационной конверсии. При комнатной температуре молекулы обычно находятся в основном состоянии и почти все электронные переходы при погло- щении света происходят с нижнего (основного) колебательного поду- ровня на различные колебательные подуровни возбужденного синг- летного состояния.

Возбужденная молекула за счет колебательной релаксации при столкновении с окружающими молекулами очень быстро по сравне- нию со временем электронного перехода теряет избыточную колеба- тельную энергию и переходит на основной колебательный уровень возбужденного электронного состояния.

При переходе с основного колебательного подуровня возбуж- денного синглетного состояния на какой-либо колебательный поду- ровень основного электронного состояния происходит излучение кванта света. Этот процесс называют флуоресцентный.

Классификация различных видов люминесценции. Методы люминесцентного анализа классифицируют различным образом.

4. По способу (источнику) возбуждения:

Фотолюминесценция - свечение вещества, возникающее под воздействием излучения в УФ и видимой области спектра.

Хемилюминесценция - свечение вещества за счет энергии химических реакций.

Рентгенолюминесценция - свечение вещества под воздей- ствием рентгеновских лучей.

Катодолюминесценция - свечение вещества в газовой фазе при бомбардировке его потоком электронов (катодными лучами).

Термолюминесценция - свечение вещества вследствие его возбуждения при нагревании.

Другие виды люминесценции, имеющие меньшее значение в аналитике, например, сонолюминесценция (возбуждение ультразвуком), ионолюминесценция (возбуждение пото- ком ионов щелочных металлов в вакууме), атомная флуо- ресценция (возбуждение атомов в пламени), триболюми- несценция (механическое возбуждение), радиолюминес- ценция (возбуждение радиоактивным излучением).

5. По длительности послесвечения:

Флуоресценция (спонтанная люминесценция) - свечение, прекращающееся сразу после прекращения действия ис- точника возбуждения. Длительность послесвечения со- ставляет ~ 10^-6 … 10^-9с.

Фосфоресценция - свечение, продолжающееся некото- рое время после прекращения действия источника воз- буждения. Длительность послесвечения составляет

~ 10^-2 … 10^-3с.

В аналитике из всех видов люминесценции наибольшее распро- странение получила флуоресценция, возникающая под воздействием излучения в УФ и видимой области спектра.

Основные узлы приборов. Для измерения флуоресценции ис- пользуют спектрофлуориметры и флуориметры, для измерения фос- форесценции - фосфориметры. Разберем их основные узлы.

Источники возбуждения. Для возбуждения люминесценции ис- пользуют ртутно-кварцевые, ксеноновые, вольфрамгалогенидные лампы, дающие излучение в УФ и видимой областях.

Устройства для выделения спектрального диапазона. В оптиче- ских схемах приборов для измерения люминесценции предусмотрено два таких устройства. Одно из них служит для выделения полосы из- лучения, возбуждающего вещества, второе - для выделения нужной длины волны (или интервала длин волн) из спектра люминесценции. Для этих целей используют призменные и дифракционные монохро- маторы (в спектрофлуориметрах) и светофильтры (в флуориметрах).

Детекторы. Для детектирования люминесцентного излучения используют фотоумножители, преобразующие световой сигнал в электрический, и счетчики фотонов.

Принципиальные схемы флуориметров. В приборе источник возбуждения, кювету с исследуемым раствором и детектор распола- гают в зависимости от способа измерения излучения: под прямым уг- лом к падающему свету, под небольшим углом к падающему свету (фронтальное освещение), без изменения направления (освещение в линию). Обычно в конструкциях флуориметров используется первый способ. В этом случае на детектор попадает меньшая доля посторон- него излучения от источника возбуждения. Во флуориметре свет от ртутно-кварцевой лампы попадает на первичный светофильтр, про- пускающий излучение с длинами волн возбуждения, и далее на кюве- ту с исследуемым раствором. Испускаемое люминесцентное излучение попадает на вторичный светофильтр, пропускающий люминес- центное излучение и задерживающий возбуждающее и рассеянное излучения.

Характеристики и закономерности люминесценции. Выход люминесценции. Часть поглощенной энергии при фотолюминесцен- ции тратится на безизлучательные переходы, т.е. не все поглощенные кванты света преобразуются в люминесценцию. Поэтому энергия ис- пускаемых квантов должна быть меньше энергии поглощаемых кван- тов.

Эффективность преобразования возбуждающей энергии в лю- минесцентное излучение можно охарактеризовать энергетическим ц_Е и квантовым ц_lum выходами люминесценции:

,

где Е_lum и E_abs - энергии излучаемая и поглощаемая; N_lum и N_abs -

число квантов излученных и поглощенных соответственно.

Спектр люминесценции. Зависимость интенсивности люминесцен- ции от длины волны или частоты излучения называют спектром люминес- ценции. Вид спектра не зависит от длины волны возбуждающегося света. Это понятно, если вспомнить, что излучение всегда происходит с низшего колебательного уровня первого возбуждающегося состояния независимо от того, какой квант поглощается молекулой и на какой энергетический уровень она при этом перейдет.

Закон Стокса-Ломмеля. Потеря части энергии поглощаемых квантов света на безизлучательные процессы приводит к тому, что испускаемый квант имеет меньшую энергию и, следовательно, боль- шую длину волны, чем поглощенный. По закону Стокса-Ломмеля спектр флуоресценции в целом и его максимум сдвинуты по сравне- нию со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн.

Разность длин волн в максимумах спектров флуоресценции и поглощения называют стоксовым смещением. Существует область длин волн, где кванты флуоресценции обладают большей энергией, чем поглощенные. Это объясняется тем, что часть молекул вещества может находиться на разных (но не на низшем) колебательных уров- нях основного состояния. В этом случае энергия переходов в возбуж- денное состояние может оказаться меньше энергии излучения. Одна- ко вклад таких переходов сравнительно мал, поэтому максимум

флуоресценции и спектр в целом смещены в длинноволновую об- ласть по отношению к спектру поглощения.

Правило зеркальной симметрии В.Л. Левшина. Колебательная структура многих крупных органических молекул при возбуждении практически не изменяется, поэтому нормированные спектры погло- щения и флуоресценции, изображенные в функции частот, зеркально симметричны относительно прямой, проходящей через точку пересе- чения перпендикулярно оси частот (правило Левшина).

Нормированными называют спектры, приведенные к одному максимуму. Спектры необходимо нормировать, так как интенсив- ность поглощения и излучения они получают в разных единицах. Для сравнения спектры предварительно преобразуют так, чтобы амплиту- ды их были одинаковы в максимумах.

Правило зеркальной симметрии соблюдается не для всех ве- ществ. При выполнении правила справедливо соотношение:

где н_abs и н_fl - частоты поглощения и флуоресценции; н₀ - частота в точке пересечения спектров.

График зависимости (н_abs - н_fl) от н_abs должен представлять собой прямую линию с тангенсом угла наклона равным 2. Соблюдение пра- вила зеркальной симметрии позволяет построить спектр флуоресцен- ции или поглощения, имея только один из них.

Связь интенсивности флуоресценции и концентрации. При про- хождении потока света через раствор с концентрацией с часть потока поглощается, однако в флуоресценцию преобразуется лишь часть по- глощенного света, выражаемая квантовым переходом флуоресценции ц_fl. Интенсивность флуоресценции I_fl пропорциональна числу кванта флуоресценции:

Интенсивность поглощения света I_abs является разностью между ин-

тенсивностями падающего света и прошедшего через слой длиной l (I_l):

По закону Бугера-Ламберта-Бера

I_fl = ц_fl·I₀(1 -10^-еlc).

Если произведение еlc невелико (<< 0,01), единицей в этом вы- ражении можно пренебречь, тогда

При постоянной длине кюветы произведение 2,3ц_fl·I₀еl - посто- янная величина, обозначаемая коэффициентом k, отсюда

Таким образом, при малых концентрациях наблюдается прямоли- нейная зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации.

Тушение люминесценции. Уменьшение квантового выхода лю- минесценции называют тушением, оно может быть вызвано разными причинами. Ослабление свечения обычно наблюдается с повышением температуры (температурное тушение), а также под влиянием многих веществ, в том числе самого люминесцирующего вещества (самоту- шение, или концентрационное тушение). Причиной концентрацион- ного тушения могут быть химические изменения в системе. Напри- мер, в результате агрегации молекул могут получиться ассоциаты, не обладающие способностью люминесцировать либо имеющие другие измененные спектральные характеристики.

При высоких концентрациях проявляется также эффект внутренне- го фильтра. При прохождении света через раствор интенсивность его падает. Следовательно, на молекулы раствора, находящиеся (в кювете) ближе к источнику возбуждения, падает свет большей интенсивности, чем на молекулы в толще слоя. Поскольку интенсивность флуоресцен- ции зависит от интенсивности падающего света I₀, то по мере ослабле- ния потока I_fl будет уменьшаться. При малой концентрации этот эффект незаметен, при большей существен.

Тушение наблюдается также в присутствии примесей, например, кислорода, ионов переходных металлов, тяжелых атомов.

8.2. Практическое применение. В практике люминесцентных мето- дов значительное место занимает анализ обнаружения. По люминес- ценции фосфоров и других веществ обнаруживают инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и г-излучение, регистрируют пото- ки протонов, нейтронов, электронов, б-частиц. Известны люминес- центные способы диагностики различных заболеваний. В оптико- механической промышленности люминесцентный анализ обнаруже- ния используют для маркировки различных сортов стекла, в резино- вой промышленности для контроля состава шихты, в бумажной - для установления качества целлюлозы, в алмазодобывающей промыш- ленности по характерному свечению отбирают алмазы.

Методы люминесцентного анализа успешно используют в ана- лизе лантаноидов, соединений урана и ряда других элементов. Лю- минесцентной способностью обладают многие органические соеди- нения: бензол, нафталин и их многочисленные производные, биоло- гически активные вещества (витамины, антибиотики, гормоны), мно- гие пигменты. Благодаря низкому пределу обнаружения и простоте применяемой аппаратуры люминесцентный анализ успешно развива- ется и является одним из перспективных методов.

Общая характеристика метода. Важнейшей особенностью лю- минесцентного метода анализа является его применяемость к определе- нию микропримесей. Погрешность метода составляет 5 … 7 %. Приме- нимость люминесцентного анализа очень широка. Он может быть ис- пользован для определения почти любого элемента, многих органиче- ских, биологически активных и других веществ.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность люминесцентного анализа?

2. Какие виды люминесценции существуют? Их характеристика.

3. Почему при комнатной температуре не все вещества люминес- цируют?

4. Является ли люминесценция равновесным процессом?

5. Как меняется интенсивность люминесценции при понижении температуры?

6. Почему нельзя долго освещать флуоресцирующие растворы при флуоресцентном анализе?

Лекция №9. РЕФРАКТОМЕТРИЯ И ПОЛЯРИМЕТРИЯ

Рефрактометрический анализ основан на определении концен- трации веществ по показателю преломления света. Когда луч света переходит из одной прозрачной среды в другую, на границе сред на- правление его меняется, т.е. луч преломляется.

Поляриметрический анализ основан на изменении угла враще- ния плоскости поляризации света оптически активных веществ

Теоретические основы. Рефрактометрия. При падении луча света на границу раздела двух прозрачных сред происходят частич- ное отражение света от поверхности раздела и частичное распростра- нение света в другой среде. Направление луча во второй среде изме- няется в соответствии с законом преломления:

Величину n_2(отн) называют относительным показателем (коэффи- циентом) преломления второй среды по отношению к первой. Пока- затель преломления по отношению к вакууму называют абсолютным показателем преломления:

то очевидно, что

т.е. относительный показатель преломления равен отношению абсо- лютных показателей преломления. Из уравнения (2) получаем другую форму записи закона преломления:

Относительный показатель преломления по отношению к возду- ху называют просто показателем преломления n:

При атмосферном давлении и комнатной температуре

n_{абс(воздух)}=1,00027, поэтому

Опыт показывает, что если свет переходит, например, из воздуха в какую-то конденсированную, более преломляющую среду, то угол падения всегда больше угла преломления. При переходе из среды, более преломляющей, в среду, менее преломляющую, угол прелом- ления б₂ оказывается больше угла падения б₁. Если угол преломления б₂=90^°С, то, очевидно, преломления вообще не произойдет, и по- скольку sin 90°С=1, формула (1) переходит в

Угол б₁, при котором преломление не происходит, называют углом полного внутреннего отражения, а также предельным или критическим углом. Уравнение (3) показывает, что по условию полного внутреннего отражения можно рассчитать показатель преломления. Это соотношение часто используют в практике рефрактометрии.

Показатель преломления и плотность вещества изменяются симбатно, т.е. с ростом плотности происходит увеличение показателя преломления. Теоретическими и экспериментальными исследования- ми было установлено, что некоторая функция показателя преломле- ния f(n) прямо пропорциональна плотности вещества g:

f(n) = rg.

Коэффициент пропорциональности r назвали удельной рефрак- цией. При умножении r на молярную массу М получают молярную рефракцию R:

R = Mr.

Для выражения функции f(n) и, следовательно, для расчета реф- ракции было предложено несколько уравнений. Наибольшее распро- странение получила теоретически обоснованная формула Лоренц- Лорентца:

Величина рефракции, найденная по этой формуле, практически на зависит от внешних условий (температуры, давления и т.д.).

В органической химии широко применяется правило аддитивно- сти молярных рефракций, в соответствии с которым молярная реф- ракция соединения равна сумме атомных рефракций элементов, обра- зующих это соединение, а рефракция смеси равна сумме молярных рефракций ее составных частей. Молярную рефракцию растворов можно поэтому рассматривать как линейную функцию их состава, выраженного в молярных долях.

Поляриметрия. У обычного естественного луча колебания све- товой волны происходят во всех плоскостях, перпендикулярных на- правлению света. Луч, у которого эти колебания происходят только в какой-то одной плоскости, называют поляризованным, а плоскость, в которой происходят колебания, - плоскостью колебаний. Некоторые кристаллы обладают способностью пропускать свет одного опреде- ленного колебания. После прохождения такого кристалла луч света становится поляризованным. Вещества, способные изменять плос- кость поляризации, называют оптически активными веществами, а неспособные - оптически неактивными. При прохождении поляризованного света через оптически активное вещество происходит пово- рот плоскости поляризации на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации. Вращение называют правым и считают положительным (+), если оно происходит по часовой стрел- ке, когда смотрят навстречу лучу, и левым и считают отрицательным (-), если оно происходит против движения часовой стрелки. Перед названием или химической формулой правовращающего соединения обычно ставят букву d, а левовращающего - букву l. Оптически неак- тивную эквимолекулярную смесь право- и левовращающих изомеров называют рацемическим соединением. Перед их названием помещают обе буквы, например рацемат яблочной кислоты называется dl-яблочной кислотой.

Вращение плоскости поляризации кристаллическими вещества- ми является важной характеристикой кристалла, которая широко ис- пользуется в технике микроскопии и в кристаллохимии. Оптическая активность газообразных молекул или растворенных веществ связана с особенностями строения молекул (например, отсутствием у них центра и плоскости симметрии и т.д.).

Угол вращения плоскости поляризации б связан с концентраци- ей оптически активного вещества в растворе с (г/мл) и толщиной слоя раствора l (дм) соотношением:

где б_уд - удельное вращение плоскости поляризации.

Оно зависит от природы вещества, длины волны поляризуемого света, растворителя и температуры. Символ означает, что удельное вращение плоскости поляризации относится к 20°С и желтой D- линии натрия. Молярное вращение плоскости поляризации Ф равно произведению б_уд на молярную массу М.

Особый интерес представляет зависимость удельного, или мо- лярного, вращения плоскости поляризации от длины волны света. Эту зависимость называют дисперсией оптического вращения.

Оптическое вращение растет с уменьшением длины волны. В области полосы спектра поглощения оно достигает максимума и за- тем быстро падает до минимума, после которого медленно возрастает (эффект Коттона).

Приборы для определения показателя преломления. Для оп- ределения показателя преломления в наиболее широко применяемых приборах используют измерение угла полного внутреннего отражения. Основной частью прибора является измерительная призма из оп- тического стекла с точно известным показателем преломления N. Ис- точником света служат натриевая лампа или газоразрядная трубка (водородная, гелиевая или ртутная), дающая линейчатый спектр. В рефрактометре Аббе освещение производится белым (немонохром- ным) светом.

Луч света падает на кювету, находящуюся на входной грани измери- тельной призмы. Входная грань находится в оптическом контакте с иссле- дуемой жидкостью и служит границей раздела, на которой происходят преломление и полное внутреннее отражение. Если угол близок к пре- дельному, поле зрения трубки оказывается разделенным на светлую (ос- вещенную) и темную (неосвещенную) части.

В комплект рефрактометра обычно входит несколько призм, по- зволяющих работать в различных диапазонах значений показателя преломления.

Наиболее известны конструкции рефрактометров типов Пульф- риха и Аббе. Кроме метода предельного угла для измерения показа- теля преломления используется метод призмы, а также иммерсион- ный, интерференционные и некоторые другие методы.

Показатель преломления в иммерсионном методе находят при качественном сравнении исследуемого вещества с эталонными сре- дами. Чтобы найти показатель преломления, например, каких-либо минеральных зерен или кристаллов, их последовательно рассматри- вают под микроскопом в жидкостях с известными показателями пре- ломления.

Иммерсионный метод широко используется в практике минера- лого-петрографических исследований. Большое значение он имеет для определения состава бинарных изоморфных смесей карбонатов, сульфатов и др., при исследовании продуктов химической техноло- гии. Этот метод позволяет определять состав совместно кристалли- зующихся отдельных твердых фаз, отличать двойные соли от меха- нической смеси солей, различать изомеры и решать другие задачи. Он очень удобен при анализе взрывчатых и ядовитых веществ, так как для анализа требуются ничтожно малые пробы вещества. Однако, не- смотря на ряд бесспорных достоинств, иммерсионный метод сравни- тельно редко применяется в практике аналитических лабораторий.

Приборы для поляриметрических измерений. В любом прибо- ре для поляриметрического анализа (поляриметре) есть поляризатор и анализатор, между которыми находится трубка с анализируемым раствором. Если поляризатор и анализатор установлены так, что их плоскости поляризации параллельны между собой, то в отсутствии анализируемого вещества свет будет беспрепятственно проходить че- рез оба устройства и наблюдаться в зрительную трубу. Если в отсут- ствии анализируемого вещества анализатор повернуть на 90°С, т.е. ориентировать так, что его плоскость поляризации будет перпенди- кулярна плоскости поляризатора, то, поляризованный свет через ана- лизатор проходить не будет. Это положение «на темноту». При вве- дении между поляризатором и анализатором оптически активного анализируемого раствора в зрительной трубе появится свет. Чтобы вновь добиться «темноты», анализатор необходимо повернуть на не- который угол, равный углу вращения плоскости поляризации анали- зируемым веществом. Величина угла вращения может быть непо- средственно прочитана на отчетном устройстве зрительной трубы.

В качестве поляризатора и анализатора обычно используют призму Николя (или просто николь), изготовляемую из исландского шпата (CaCO₃). Осветителем часто служит натриевая лампа.

Интересным видоизменением поляриметра является сахариметр, применяемый специально для анализа растворов сахара. В отличие от обычного поляриметра, осветителем в котором служит натриевая лампа или другой источник монохроматического света, в сахариметре для этой цели используется белый немонохроматический свет. При- менение такого осветителя оказалось возможным вследствие случай- ного совпадения вращательной дисперсии кварца и раствора сахара. Раствор сахара вызывает правое вращение плоскости поляризации. Это вращение в сахариметрах компенсируют введением в луч света клина из левовращающего кварца. Вследствие равенства дисперсии оптического вращения кварца и раствора сахара компенсация проис- ходит при всех длинах волн, что и позволяет использовать для осве- щения сахариметров белый свет. Определения на сахариметре харак- теризуются высокой точностью, так как толщину клина можно изме- рить очень точно. Клином называют устройство из двух клинообраз- ных пластинок левовращающего кварца и плоской пластинки право- вращающего. Положение клина часто калибруют в единицах концен- трации, или так называемых международных сахарных градусах (°S). Величине 100 сахарных градусов (100°S) соответствует раствор са- харозы, содержащей 26 г в 100 мл раствора при 20°С и длине труб- ки 2 дм.

В новейших конструкциях поляриметров и спектрополяримет- ров для измерения интенсивности света применяют фотоэлементы и фотоумножители, нередко соединенные с электронным записываю- щим потенциометром. Особую ценность они имеют для исследова- ний в УФ участке спектра, не доступном для визуальных наблюде- ний.

Рефрактометрические и поляриметрические методики анали- за. Рефрактометрические. Разработаны многочисленные методики определения составных частей в двухкомпонентных растворах (вод- ные растворы спиртов, сахара, глицерина, кислот, солей и т.д.). Чем больше разность показателей преломления компонентов, тем более высокой будет точность анализа. Показатели преломления многих технически важных смесей сведены в специальные таблицы, облег- чающие проведение рефрактометрического анализа.

Анализ тройных систем значительно сложнее, так как наряду с измерением показателя преломления обычно приходится определять еще какое-либо свойство системы (плотность, вязкость и т.д.) Боль- шое распространение получил рефрактоденсиметрический метод, ос- нованный на измерении показателя преломления и плотности. При анализе по этому методу строится треугольная диаграмма составов, на которую по экспериментальным данным для стандартных раство- ров наносится сетка изорефракт (линий одинакового показателя пре- ломления) и изоденс (линий одинаковой плотности). По измеренным значениям показателя преломления и плотности анализируемого рас- твора на треугольнике составов находят точку, соответствующую этим величинам. Координаты этой точки прямо указывают на состав анализируемого раствора.

Менее трудоемки такие методы анализа тройных систем, как дисперсиометрический и метод извлечения, основанные на использо- вании только рефрактометрических измерений. В дисперсиометриче- ском методе измеряют показатель преломления при двух длинах волн и на треугольнике составов наносят сетку из изорефракт и линий одинаковой дисперсии. Дальнейшие операции не отличаются от приемов рефрактоденсиометрического метода.

При работе по методу извлечения определяют показатель пре- ломления тройной системы и один из компонентов количественно удаляют подходящим реагентом. Оставшуюся двойную смесь можно проанализировать обычным методом градуировочного графика и да-

лее по треугольной диаграмме установить состав исходного тройного раствора.

Определение всех компонентов в смеси более сложных, чем тройные, рефрактометрически невозможно. Однако вовсе не ред- костью является определение в таких смесях одного-двух компо- нентов.

Поляриметрические. Основу количественных поляриметриче- ских методик составляет уравнение б = б_удlc, связывающее угол вращения плоскости поляризации с концентрацией раствора. Наи- более часто в практике используется метод градуировочного гра- фика в координатах угол вращения б, концентрация с. Смесь оп- тически активных веществ может быть проанализирована спектро- поляриметрическим методом, т.е. изменением угла вращения при разных длинах волн. Методика этого анализа очень близка к мето- дике спектрофотометрического определения смеси двух окрашен- ных веществ. Расчетные формулы сохраняют свою применимость и в спектрополяриметрическом методе, если молярные коэффици- енты поглощения заменить удельными вращениями, учесть длину трубки и переход к другой концентрационной шкале. Точность анализа возрастает, если одно из анализируемых соединений (а еще лучше оба) в исследуемой области спектра имеют длину вол- ны нулевого вращения, так как при этой длине волны угол враще- ния будет определяться концентрацией только второго компонен- та.

Спектрополяриметрические измерения дают ценную инфор- мацию также о структуре и других свойствах органических и ко- ординационных соединений.

Практическое применение. Рефрактометрический метод ана- лиза применяют в технологическом контроле в пищевой промыш- ленности, в клинических медицинских исследованиях, при анализе кондитерских изделий, молока, масла, различных жиров и т.д. Не- редко показатель преломления включается в ГОСТ как характери- стика качества вещества (например, стирола). Содержание сахара, жиров, белка и т.п. измеряют также поляриметрическим методом. Этот же метод используют в фармацевтических производствах при анализе лекарственных препаратов (например, пенициллина) и парфюмерии.

Контрольные вопросы

1. Что лежит в основе поляриметрического метода анализа?

2. В чем заключается рефрактометрический анализ?

3. Назовите известные вам физические поля.

Практическое применение: начертите схему устройства поляриметра-глюкозиметра.

Лекция №10. НЕФЕЛОМЕТРИЯ И ТУРБИДИМЕТРИЯ

Нефелометрический и турбидиметрический методы применяют для анализа суспензий, эмульсий, различных взвесей и других мут- ных сред. Интенсивность пучка света, проходящего через такую сре- ду, уменьшается за счет рассеивания и других процессов взаимодей- ствия света с взвешенными частицами. Фотометрическое исследова- ние оптически неоднородных мутных жидкостей, состоящих из рас- твора (дисперсионной среды), в котором взвешены мельчайшие твер- дые частицы (дисперсионная фаза), можно выполнять двумя метода- ми - нефелометрии и турбидиметрии.

Теоретические основы. Нефелометрия. Метод основан на ис- пользовании зависимости между интенсивностью света, рассеиваемо- го частицами дисперсной системы, и числом этих частиц. При про- хождении светового потока через светорассеивающую среду частицы этой среды рассеивают свет в различных направлениях с той же дли- ной волны, что и длина волны падающего светового потока. Если размеры R светорассеивающих частиц меньше длины волны л рас- сеиваемого света (R<0,1л), то такое светорассеивание называют рэле- евским рассеянием (в отличие от комбинационного рассеяния света, когда длины волн падающего и рассеянного излучения неодинаковы, или от эффекта Тиндаля, когда свет той же длины волны рассеивается более крупными частицами, чем при рэлеевском рассеянии света).

В нефелометрии интенсивность рассеянного света наблюдают (из- меряют) в направлении, либо перпендикулярном, либо под каким-то уг-

лом по отношению к направлению падающего светового потока. Обыч- но наблюдения и измерения ведут в направлении, перпендикулярном к направлению распространения падающего света.

Интенсивность рэлеевского рассеяния света зависит от природы рассеивающей среды, размеров частиц и их числа, показателей свето- преломления частиц и среды, длины волны и интенсивности падаю- щего света, угла рассеивания. При размерах частиц, существенно меньше длины волны падающего света, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны и описывается уравнением Рэлея:

где I и I₀ - соответственно интенсивность рассеянного и падающего света с длиной волны л; F - функция, зависящая от показателей прелом- ления частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды; V - объем час- тицы, принимаемой за сферическую; и - угол между направлениями па- дающего и рассеянного света; N - общее число частиц в рассеивающей среде; R - расстояние от рассеивающей частицы до приемника рассеян- ного излучения (до наблюдателя).

Если нефелометрические измерения проводить в условиях, ко- гда величины F, V, и, л и R остаются постоянными, то тогда уравне- ние (1) можно представить в виде:

где коэффициент пропорциональности k определяется эмпири- чески. В таком случае в соответствии с формулой (2) интенсивность рассеянного света пропорциональна числу рассеивающих частиц N, а при постоянном объеме рассеивающей среды - их концентрации. Со- отношение (2) и лежит в основе нефелометрических определений.

Измерения проводят с использованием специальных приборов - нефелометров или же флуориметров.

Концентрацию определяемого вещества находят либо методом градуировочного графика, построенного на основании измерения ин- тенсивности рассеяния эталонных проб с точно известной концентра- цией определяемого вещества, либо с использованием стандарта. В последнем случае измеряют отношение интенсивностей светорассея- ния стандартного образца с точно известной концентрацией опреде- ляемого вещества и анализируемой пробы:

где символы «s» и «х» относятся к стандартному и анализируе- мому образцам соответственно.

При одинаковом объеме проб стандартного и анализируемого образцов отношение чисел рассеивающих частиц N_x/ N_s равно отно- шению их концентраций с_х и с_s:

Отсюда:

s

Найдя с_х и измерив отношение интенсивностей I_x/ I_s, можно рас- считать концентрацию с_х определяемого вещества в анализируемом образце.

Турбидиметрия. Метод основан на использовании зависимости между ослаблением интенсивности светового потока, проходящего через светорассеивающую среду, за счет рассеивания света частица- ми этой среды, и их концентрацией. При турбидиметрических изме- рениях через светорассеивающую среду пропускают световой поток с интенсивностью I₀, измеряют его интенсивность I после прохождения им светорассеивающей среды. При наличии частиц, рассеивающих свет (рэлеевское рассеяние), очевидно, что I< I₀. В таком случае спра- ведливо соотношение:

аналогичное соотношению для основного закона светопоглощения. В выражении (3) величину S, играющую роль оптической плотности, иногда называют мутностью; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от размера рассеивающих частиц, длины волны падающе- го (рассеиваемого) света, коэффициентов светопреломления частиц и среды; с - концентрация светорассеивающих частиц; l - толщина рас- сеивающего слоя; ф=kс - коэффициент мутности, иногда называемый также мутностью.

Уравнение (3) предполагает, что соблюдается формула Рэлея и размер частиц меньше длины волны падающего света (R? 0,1л).

Для измерения мутности S используют обычные фотоэлектроко- лориметры, а также специальные приборы - турбидиметры.

Приборы для нефелометрических и турбидиметрических определений. Пучок света интенсивностью I₀ от электрической лам- пы накаливания падает на кювету с анализируемой суспензией или эмульсией и частично рассеивается взвешенными частицами. Интен-

сивность рассеянного света равна I, интенсивность света, прошедше- го через кювету, I_t. Рассеянный свет наблюдается обычно под прямым углом к направлению падающего света. Интенсивность рассеянного света и света, прошедшего через анализируемую смесь, может быть измерена с помощью фотоэлементов или визуально. В выпускаемом промышленностью нефелометре НФМ интенсивность рассеянного света измеряется визуально. Для измерения интенсивности света, прошедшего через взвесь, успешно используются фотоэлектроколо- риметры. Количественные определения обычно проводятся методом градуировочного графика. В случае нефелометрических измерений график строится в координатах I/ I₀ - с, а при турбидиметрических определениях - в координатах А - с. Известны также методики тур- бидиметрического титрирования, основанные на реакциях образова- ния осадков малорастворимых соединений. При титрировании, на- пример, магния фосфатом оптическая плотность в ходе титрирования возрастает, так как увеличивается концентрация взвешенных частиц фосфата магния, а по достижении точки эквивалентности остается постоянной.