Одним из основных методов анализа химического состава вещества является спектральный анализ. Анализ его состава производится, на основании изучения его спектра. Спектральный анализ — используется в различных исследованиях. С его помощью открыт комплекс химических элементов: Не, Ga, Cs. в атмосфере Солнца. А также Rb, Inи XI, определён состав Солнца и большинства других небесных тел.
Отрасли применения
Спектральная экспертиза, распространена в:
- Металлургии;
- Геологии;
- Химии;
- Минералогии;
- Астрофизике;
- Биологии;
- медицине и др.
Позволяет находить в изучаемых объектах малейшие количества устанавливаемого вещества (до 10 — MS) Спектральный анализ делится на качественный и количественный.
Методы
Способ установления химического состава вещества на основе спектра – это и есть основа спектрального анализа. Линейчатые спектры обладают неповторимой индивидуальностью, так же как и отпечатки пальцев у людей, или же узор снежинок. Неповторимость рисунков на коже пальца – это большое преимущество для розыска преступника. Поэтому благодаря особенности каждого спектра имеется — возможность установить химическое содержание тела, проведя анализ химического состава вещества. Даже если его масса элемента не превышает 10 — 10 г, с помощью спектрального анализа его можно обнаружить в составе сложного вещества. Это достаточно чувствительный метод.
Эмиссионный спектральный анализ
Эмиссионный спектральный анализ — это ряд методов установления химического состава вещества по его эмиссионному спектру. В основу способа установления химического состава вещества – спектральной экспертизы, положены закономерности в спектрах испускания и спектрах поглощения. Данный метод позволяет выявить миллионные доли миллиграмма вещества.
Существуют методы качественной и количественной экспертизы, в соответствии с установлением аналитической химии как предмета, целью которой является формирование способов установления химического состава вещества. Методы идентификации вещества, становятся крайне важными в пределах качественного органического анализа.
По линейчатому спектру паров какого-либо из веществ есть возможность установить, какие химические элементы содержаться в его составе, т.к. любой химический элемент имеет личный специфический спектр излучения. Подобный метод установления химического состава вещества именуется качественным спектральным анализом.
Рентгеноспектральный анализ
Существует еще один метод определения химического вещества, называемый рентгеноспектральным анализом. Рентгеноспектральный анализ основан на активации атомов вещества при облучении его рентгеновскими лучами, процесс называется вторичным или флуоресцентным. А также возможна активация при облучении электронами больших энергий, в этом случае процесс именуют прямым возбуждением. В результате перемещения электронов в более глубоких внутренних электронных слоях появляются линии рентгеновского излучения.
Формула Вульфа — Брэггов позволяет устанавливать длины волн, в составе рентгеновского излучения, при применении кристалла популярной структуры с известным расстоянием d. Это и есть основание метода определения. Изучаемое вещество бомбят стремительными электронами. Помещают его, к примеру, на анод разборной рентгеновской трубки, впоследствии чего оно источает характерные рентгеновские лучи, которые падают на кристалл известной структуры. Измеряют углы и рассчитывают по формуле соответствующие длины волн, после фотографирования возникающей при этом дифракционной картине.
Приемы
В настоящее время все методы химического анализа основаны на двух приемах. Либо на: физическом приеме, либо на химическом приеме сравнения устанавливаемой концентрации с ее единицей измерения:
Физический
Физический приём основан на способе соотнесения с эталоном единицы величины количества компонента путем измерения его физического свойства, который зависит от его содержания в пробе вещества. Пробно определяют функциональную зависимость «Насыщенность свойства – содержание компонента в пробе» способом градуировки средства измерения данного физического свойства по устанавливаемому компоненту. Из градуировочного графика получают количественные отношения, построенного в координатах: «насыщенность физического свойства — концентрация устанавливаемого компонента».
Химический
Химический приём используется в способе соотнесения с эталоном единицы величины количества компонента. Тут используются законы сохранения количества или массы компонента при химических взаимодействиях. На химических свойствах химических соединений, основаны химические взаимодействия. В пробе вещества осуществляют химическую реакцию, отвечающую поставленным требованиям, для определения искомого компонента, и производится замер объёма или массы, принимающих участие в конкретной химической реакции компонентов. Получают количественные отношения, далее записывается количества эквивалентов компонента для данной химической реакции или закон сохранения массы.
Приборы
Приборами для анализа физико-химического состава вещества являются:
- Газоанализаторы;
- Сигнализаторы предельно допустимых и до взрывоопасных концентраций паров и газов;
- Концентратомеры жидких растворов;
- Плотномеры;
- Солемеры;
- Влагомеры и др. схожие по назначению и комплектности приборы.
Со временем все более увеличивается круг анализируемых объектов и повышается скорость и правильность анализа. Одним из главнейших приборных методов установления атомного химического состава вещества становится спектральный анализ.
ПРИМЕЧАНИЕ:
Цена химической экспертизы указана с учетом налогов. Транспортные расходы оплачиваются отдельно.
Спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру. Этот метод разработан в 1859 г. немецкими учеными Г.Р. Кирхгофом и Р.В. Бунзеном.
Но прежде чем рассматривать этот довольно сложный вопрос, давайте сначала поговорим о том, что такое спектр.
Спектр
(лат. spectrum «виде́ние») в физике - распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр - спектр частот (или то же самое, что энергий квантов) электромагнитного излучения.
В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон
в 1671-1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму. В своём труде «Оптика» (1704 г.) он опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения и объяснил их природу. Он показал, что цвет есть собственное свойство света, а не вносятся призмой, как утверждал Бэкон в XIII веке. Фактически Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света -преломление, интерференцию
(перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн) и дифракцию
(огибание препятствия волнами).
А вот теперь возвратимся к разговору о том, что такое спектральный анализ.
Это метод, который дает ценные и разнообразные сведения о небесных светилах. Как это делается? Анализируется свет, а из анализа света можно произвести качественный и количественный химический состав светила, его температуру, наличие и напряженность магнитного поля, скорость движения по лучу зрения и т. д.
В основе спектрального анализа лежит понятие о том, что сложный свет при переходе из одной среды в другую (например, из воздуха в стекло) разлагается на составные части. Если пучок этого света пустить на боковую грань трехгранной призмы, то, преломляясь в стекле по-разному, составляющие белый свет лучи дадут на экране радужную полоску, называемую спектром. В спектре все цвета расположены всегда в определенном порядке. Если вы забыли этот порядок, то посмотрите на рисунок.
Призма как спектральный прибор
В телескопах для получения спектра используют специальные приборы – спектрографы
, устанавливаемые за фокусом объектива телескопа. В прошлом все спектрографы были призменными, но теперь вместо призмы в них используют дифракционную решетку
, которая также разлагает белый свет в спектр, его называют дифракционным спектром.
Всем известно, что свет распространяется в виде электромагнитных волн. Каждому цвету соответствует определенная длина электромагнитной волны. Длина волны в спектре уменьшается от красных лучей к фиолетовым примерно от 700 до 400 ммк. За фиолетовыми лучами спектра лежат ультрафиолетовые лучи, не видимые глазом, но действующие на фотопластинку.
Еще более короткую длину волны имеют рентгеновские лучи, применяемые в медицине. Рентгеновское излучение небесных светил атмосфера Земли задерживает. Только недавно оно стало доступно для изучения посредством запусков высотных ракет, поднимающихся выше основного слоя атмосферы. Наблюдения в рентгеновских лучах производят также автоматические приборы, установленные на космических межпланетных станциях.
За красными лучами спектра лежат инфракрасные лучи. Они невидимы, но и они действуют на специальные фотопластинки. Под спектральными наблюдениями понимают обычно наблюдения в интервале от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей.
Для изучения спектров применяют приборы, называемые спектроскопом и спектрографом . В спектроскоп спектр рассматривают, в спектрографе его фотографируют. Фотография спектра называется спектрограммой .
Виды спектров
Спектр в виде радужной оболочки (сплошной, или непрерывный) дают твердые раскаленные тела (раскаленный уголь, нить электролампы) и находящиеся под большим давлением громадные массы газа. Линейчатый спектр излучения дают разреженные газы и пары при сильном нагревании или под действием электрического разряда. У каждого газа свой излученный набор ярких линий определенных цветов. Их цвет соответствует определенным длинам волн. Они находятся всегда в одних и тех же местах спектра. Изменения состояния газа или условий его свечения, например, нагрев или ионизация, вызывают определенные изменения в спектре данного газа.
Учеными составлены таблицы с перечнем линий каждого газа и с указанием яркости каждой линии. Например, в спектре натрия особенно ярки две желтые линии. Установлено, что спектр атома или молекулы связан с их строением и отражает определенные изменения, происходящие в них в процессе свечения.
Линейчатый спектр поглощения дают газы и пары, когда за ними находится яркий и более горячий источник, дающий непрерывный спектр. Спектр поглощения состоит из непрерывного спектра, перерезанного темными линиями, которые находятся в тех самых местах, где должны быть расположены яркие линии, присущие данному газу. Например, две темные линии поглощения натрия расположены в желтой части спектра.
Таким образом, спектральный анализ позволяет установить химический состав паров, излучающих свет или поглощающих его; определить, находятся ли они в лаборатории или на небесном светиле. Количество атомов или молекул, лежащих на нашем луче зрения, излучающих или поглощающих, определяется по интенсивности линий. Чем больше атомов, тем ярче линия или тем она темнее в спектре поглощения. Солнце и звезды окружены газовыми атмосферами. Непрерывный спектр их видимой поверхности перерезан темными линиями поглощения, возникающими при прохождении света через атмосферу звезд. Поэтому спектры Солнца и звезд - это спектры поглощения.
Но спектральный анализ позволяет определять химический состав только самосветящихся или поглощающих излучение газов. Химический состав твердого или жидкого тела при помощи спектрального анализа определить нельзя.
Когда тело раскалено докрасна, в его сплошном спектре ярче всего красная часть. При дальнейшем нагревании наибольшая яркость в спектре переходит в желтую, потом в зеленую часть и т. д. Теория излучения света, проверенная на опыте, показывает, что распределение яркости вдоль сплошного спектра зависит от температуры тела. Зная эту зависимость, можно установить температуру Солнца и звезд. Температуру планет и температуру звезд определяют еще при помощи термоэлемента, помещенного в фокусе телескопа. При нагревании термоэлемента в нем возникает электрический ток, характеризующий количество теплоты, приходящее от светила.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
,
метод качеств. и количеств. определения состава в-в, основанный на исследовании
их спектров испускания, поглощения, отражения и люминесценции . Различают атомный
и молекулярный спектральный анализ, задачи к-рых состоят в определении соотв. элементного
и молекулярного состава в-ва. Эмиссионный спектральный анализ проводят по спектрам испускания
атомов , ионов или молекул , возбужденных разл. способами, абсорбционный спектральный анализ-по
спектрам поглощения электромагн. излучения анализируемыми объектами (см. Абсорбционная
спектроскопия). В зависимости от цели исследования, св-в анализируемого
в-ва, специфики используемых спектров, области длин волн и др. факторов ход
анализа, аппаратура, способы измерения спектров и метро-логич. характеристики
результатов сильно различаются. В соответствии с этим спектральный анализ подразделяют на
ряд самостоят. методов (см., в частности, Атомно-абсорбционный анализ , Атомно-флуоресцентный
анализ , Инфракрасная спектроскопия , Комбинационного рассеяния спектроскопия ,
Люминесцентный анализ , Молекулярная оптическая спектроскопия , Спектроскопия
отражения , Спектрофотометрия , Ультрафиолетовая спектроскопия , Фотометрический
анализ , Фурье-спектроскопия , Рентгеновская спектроскопия).
Часто под спектральным анализом понимают
только атомно-эмис-сионный спектральный анализ (АЭСА)-метод элементного анализа ,
основанный на изучении спектров испускания
своб. атомов и ионов в газовой фазе в области длин волн 150-800 нм (см. Атомные
спектры).
При анализе твердых в-в
наиб. часто применяют дуговые (постоянного и переменного тока) и искровые разряды,
питаемые от специально сконструир. стабилизир. генераторов (часто с электронным
управлением). Созданы также универсальные генераторы, с помощью к-рых получают
разряды разных типов с переменными параметрами, влияющими на эффективность процессов
возбуждения исследуемых образцов. Твердая электропроводящая проба непосредственно
может служить электродом дуги или искры; не проводящие ток твердые пробы и порошки
помещают в углубления угольных электродов той или иной конфигурации. В этом
случае осуществляют как полное испарение (распыление) анализируемого в-ва, так
и фракционное испарение последнего и возбуждение компонентов пробы в соответствии
с их физ. и хим. св-вами, что позволяет повысить чувствительность и точность
анализа. Для усиления эффекта фракционирования испарения широко применяют добавки
к анализируемому в-ву реагентов , способствующих образованию в условиях высокотемпературной
[(5-7)·10 3 К] угольной дуги легколетучих соед. (фторидов , хлоридов ,
сульфидов и др.) определяемых элементов. Для анализа геол. проб в виде порошков
широко применяют способ просыпки или вдувания проб в зону разряда угольной дуги.
При анализе металлургия ,
проб наряду с искровыми разрядами разных типов используют также источники света
тлеющего разряда (лампы Грима, разряд в полом катоде). Разработаны комбинир.
автоматизир. источники, в к-рых для испарения или распыления используют лампы
тлеющего разряда или электротермич. анализаторы, а для получения спектров, напр.,-высокочастотные
плазматроны. При этом удается оптимизировать условия испарения и возбуждения
определяемых элементов.
При анализе жидких проб
(р-ров) наилучшие результаты получаются при использовании высокочастотных (ВЧ)
и сверхвысокочастотных (СВЧ) плазматронов, работающих в инертной атмосфере ,
а также при пламенно-фотометрич. анализе (см. Фотометрия пламени эмиссионная).
Для стабилизации т-ры плазмы разряда на оптимальном уровне вводят добавки
легкоионизируемых в-в, напр. щелочных металлов . Особенно успешно применяют ВЧ
разряд с индуктивной связью тороидальной конфигурации (рис. 1). В нем разделены
зоны поглощения ВЧ энергии и возбуждения спектров, что позволяет резко повысить
эффективность возбуждения и отношение полезного аналит. сигнала к шуму и, т.
обр., достичь очень низких пределов обнаружения широкого круга элементов. В
зону возбуждения пробы вводят с помощью пневматических или (реже) ультразвуковых
распылителей. При анализе с применением ВЧ и СВЧ плазматронов и фотометрии пламени
относит. стандартное отклонение составляет 0,01-0,03, что в ряде случаев позволяет
применять АЭСА вместо точных, но более трудоемких и длительных хим. методов
анализа.
Для анализа газовых смесей
необходимы спец. вакуумные установки; спект-ры возбуждают с помощью ВЧ и СВЧ
разрядов. В связи с развитием газовой хроматографии эти методы применяют редко.
Рис. 1. ВЧ плазматрон:
1-факел отходящих газов ; 2-зона возбуждения спектров; 3-зона поглощения ВЧ энергии;
4-нагреват. индуктор; 5-вход охлаж-дающега газа (азот , аргон); 6-вход плазмообра-зующего
газа (аргон); 7-вход распыленной пробы (несущий газ-аргон).
При анализе в-в высокой
чистоты, когда требуется определять элементы, содержание к-рых меньше 10 -5 -10
%, а также при анализе токсичных и радиоактивных в-в пробы предварительно обрабатывают;
напр., частично или полностью отделяют определяемые элементы от основы и переводят
их в меньший объем р-ра или вносят в меньшую массу более удобного для анализа
в-ва. Для разделения компонентов пробы применяют фракционную отгонку основы
(реже-примесей), адсорбцию , осаждение , экстракцию , хроматографию , ионный обмен .
АЭСА с использованием перечисленных хим. способов концентрирования пробы , как
правило, наз. химико-спектральным анализом. Дополнит. операции разделения и
концентрирования определяемых элементов заметно повышают трудоемкость и длительность
анализа и ухудшают его точность (относит. стандартное отклонение достигает значений
0,2-0,3), но снижает пределы обнаружения в 10-100 раз.
Специфич. областью АЭСА
является микроспектральный (локальный) анализ. При этом микрообъем в-ва (глубина
кратера от десятков мкм до неск. мкм) испаряют обычно лазерным импульсом, действующим
на участок пов-сти образца диаметром неск. десятков мкм. Для возбуждения спектров
используют чаще всего импульсный искровой разряд, синхронизованный с лазерным
импульсом. Метод применяют при исследовании минералов , в металловедении.
Спектры регистрируют с
помощью спектрографов и спектрометров (квантометров). Имеется много типов этих
приборов, различающихся светосилой, дисперсией, разрешающей способностью, рабочей
областью спектра. Большая светосила необходима для регистрации слабых излучений,
большая дисперсия-для разделения спектральных линий с близкими длинами волн
при анализе в-в с многолинейчатыми спектрами, а также для повышения чувствительности
анализа. В качестве устройств, диспергирующих свет, используют дифракц. решетки
(плоские, вогнутые, нарезные, голографич., профилированные), имеющие от неск.
сотен до неск. тысяч штрихов на миллиметр, значительно реже-кварцевые или стеклянные
призмы.
Спектрографы (рис. 2),
регистрирующие спектры на спец. фотопластинках или (реже) на фотопленках , предпочтительнее
при качественном АЭСА, т. к. позволяют изучать сразу весь спектр образца (в
рабочей области прибора); однако используются и для количеств. анализа вследствие
сравнит. дешевизны, доступности и простоты обслуживания. Почернения спектральных
линий на фотопластинках измеряют с помощью микрофотометров (микроденситометров).
Использование при этом ЭВМ или микропроцессоров обеспечивает автоматич. режим
измерений, обработку их результатов и выдачу конечных результатов анализа.
Рис.2. Оптическая схема
спектрографа : 1-входная щель; 2-поворотное зеркало; 3-сферич. зеркало; 4-дифракц.
решетка; 5-лампочка освещения шкалы; 6-шкала; 7-фотопластинка.
Рис. 3. Схема квантометра
(из 40 каналов регистрации показано только три): 1-полихроматор; 2-дифракц.
решетки; 3-выходные щели; 4-ФЭУ; 5-входные щели; 6 - штативы с источниками света;
7 - генераторы искрового и дугового разрядов; 8- электронно-регистрирующее устройство;
9 - управляющий вычислит. комплекс.
В спектрометрах осуществляется
фотоэлектрич. регистрация аналит. сигналов с помощью фотоэлектронных умножителей
(ФЭУ) с автоматич. обработкой данных на ЭВМ. Фотоэлектрич. многоканальные (до
40 каналов и более) полихроматоры в квантометрах (рис. 3) позволяют одновременно
регистрировать аналит. линии всех предусмотренных программой определяемых элементов.
При использовании сканирующих монохроматоров многоэлементный
анализ
обеспечивается высокой скоростью сканирования по спектру в соответствии с заданной
программой.
Для определения элементов
(С, S, P, As и др.), наиб, интенсивные аналит. линии к-рых расположены в УФ
области спектра при длинах волн меньше 180-200 нм, применяют вакуумные спектрометры.
При использовании квантометров
длительность анализа определяется в значит. мере процедурами подготовки исходного
в-ва к анализу. Существенное сокращение времени пробоподготовки достигается
автоматизацией наиб. длительных этапов - растворения , приведения р-ров к стандартному
составу, окисления металлов , растирания и смешения порошков , отбора проб заданной
массы. Во мн. случаях многоэлементный АЭСА выполняется в течение неск. минут,
напр.: при анализе р-ров с использованием автомати-зир. фотоэлектрич. спектрометров
с ВЧ плазматронами или при анализе металлов в процессе плавки с автоматич. подачей
проб в источник излучения.
В черной и цветной металлургии
распространены экспрессные полуколичественные (относит. стандартное отклонение
0,3-0,5 и более) методики определения содержания основных или наиб. характерных
компонентов сплавов , напр. при их маркировке, при сортировке металлолома для
его утилизации и т.д. Для этого применяют простые, компактные и дешевые визуальные
и фотоэлектрич. приборы (стило-скопы и стилометры) в сочетании с искровыми генераторами.
Диапазон определяемых содержаний элементов-от неск. десятых долей процента до
десятков процентов.
АЭСА применяют в научных
исследованиях; с его помощью открывали хим. элементы, исследуют археологич.
объекты, устанавливают состав небесных тел и т.д. АЭСА широко применяется также
для контроля технол. процессов (в частности, для установления состава исходного
сырья, технол. и готовых продуктов), исследования объектов окружающей среды
и др. С помощью АЭСА можно определять практически все элементы периодич. системы
в весьма широком диапазоне содержаний - от 10 -7 % (пкг/мл) до десятков
процентов (мг/мл). Достоинства АЭСА: возмож
ность
одновременного определения в малой навеске в-ва большого числа элементов (до
40 и более) с достаточно высокой точностью (см. табл.), универсальность методич.
приемов при анализе разл. в-в, экспрессность, сравнительная простота, доступность
и дешевизна аппаратуры.
, под
ред. Х.И. Зильберштейна, Л., 1987; Кузяков Ю.Я., Семененко К.А., Зо-ров Н.Б.,
Методы спектрального анализа, М., 1990. Ю.И. Коровин,
План лекции: 1. Классификация спектральных методов анализа
2. Теоретические основы анализа
3. Основные элементы спектральных приборов и их назначение.
Цель лекции: Ознокомить с теорией спектрального анализа и обьяснить роль физико-химических методов анализа в решении проблем экологии
Конспект лекции:
Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия её с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.
В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения.
Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет.
Темные линии появляются, когда электроны, находящиеся на нижних энергетических уровнях атома, под воздействием радиации от источника света одномоментно поднимаются на более высокий уровень, поглощая при этом световые волны определенной длины, и сразу после этого падают обратно на прежний уровень, излучая волны этой же длины обратно - но так как это излучение рассеивается равномерно во всех направлениях, в отличие от направленного излучения от начального источника, на спектрограмме на спектрах видны тёмные линии в месте/местах, соответствующих данной длине/длинам волн. Эти длины волн отличаются для каждого вещества и определяются разницей в энергии между электронными энергетическими уровнями в атомах этого вещества.
Количество таких линий для конкретного вещества равно количеству возможных вариантов переходов электронов между энергетическими уровнями; например, если в атомах конкретного вещества электроны расположены на двух уровнях, возможен лишь один вариант перехода - с внутреннего уровня на внешний (и обратно), и на спектрограмме для данного вещества будет одна тёмная линия. Если электронных энергетических уровней три, то возможных вариантов перехода уже три (1-2, 2-3, 1-3), и тёмных линий на спектрограмме будет тоже три.
Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов.
Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000-10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.
Спекроскопические методы представляют собой наиболее широкую группу, поскольку охватывают огромнейший диапазон длин волн электромагнитных излучений. Методы анализа могут быт основаны как на поглощении излучения анализирующим веществом, так и на регистрации его излучения.
Основные методы, которые применяются в той или иной мере или могли бы применяться для оценки загрязнения объектов природной среды.
Спектральные методы анализа - это методы, основанные на определении химического состава и строения веществ по их спектру. Спектром вещества называют упорядоченное по длинам волн электромагнитное излучение, испускаемое, поглощаемое, рассеиваемое или преломляемое веществом.
Методы, основанные на получении и изучении спектров испускания (эмиссии) электромагнитного излучения (энергии), называют эмиссионными, поглощения (абсорбции) - абсорбционными, рассеяния - методами рассеяния, преломления - рефракционными. Спектр вещества получают, воздействуя на него температурой, потоком электронов, световым потоком (электромагнитной энергией) с определённой длиной волны (частоты излучения) и другими способами. При определённой величине энергии воздействия вещество способно перейти в возбуждённое состояние. При этом происходят процессы, приводящие к появлению в спектре излучения с определённой длиной волны. Излучение, поглощение, рассеяние или рефракция электромагнитного излучения может рассматриваться как аналитический сигнал, несущий информацию о качественном и количественном составе вещества или о его структуре. Частота (длина волны) излучения определяется составом исследуемого вещества, а интенсивность излучения пропорциональна числу частиц, вызвавших его появление, т.е. количеству вещества или компонента смеси. Каждый из аналитических методов обычно использует не полный спектр вещества, охватывающий диапазон длин волн от рентгеновских излучений до радиоволн, а только определённую его часть.
Спектральные методы обычно различают по диапазону длин волн спектра, являющемуся рабочим для данного метода: ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские, инфракрасные (ИК), микроволновые и т.д. Методы, работающие в УФ, видимом и ИК диапазоне называют оптическими. Они больше всего применяются в спектральных методах вследствие сравнительной простоты оборудования для получения и регистрации спектра.
Контрольные вопросы:
1. Спектры способы их получения, особенности, классификация
2. Использование для аналитических целей.
Тема самостоятельной работы студентов (СРС):
1. Физические методы анализа.
2. Использование компьютера в аналитической химии
Литература:
1. Зяблов А.Н. Аналитическая химия. Воронеж, 2006. –С. 75
2. Алемасова А.С., Луговой К.С. Экологическая аналитическая химия. Донецк. 2010.
Спектральные методы исследования основаны на использовании явлений поглощения (или испускания) электромагнитного излучения атомами или молекулами определенного вещества.
Частота (длина волны) излучения определяется составом вещества. Интенсивность аналитического сигнала пропорциональна количеству частиц, вызвавших его появление, то есть массе определяемого вещества или компонента смеси.
Спектральные методы анализа дают широкие возможности для наблюдения и исследования соответствующих сигналов в различных областях электромагнитного спектра – рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное, а также микро- и радиоволновое излучение.
По источнику и типу аналитического сигнала спектральные методы разделяют на молекулярно-абсорбционную спектрометрию, молекулярно-люминисцентную или флуориметрию, на атомно-абсорбционную и атомно-эмиссионную, а также спектрометрию ядерно-магнитного резонанса и электронно-парамагнитного резонанса.
В молекулярно-абсорбционной спектрометрии исследуют аналитические сигналы в области от 200 до 750 нм (УФ – излучение и видимый свет), вызванные электронными переходами внешних валентных электронов, а также поглощение излучения в ИК – и микроволновой области, связанное с изменением вращения и колебания молекул. Наиболее широкое распространение получил метод, основанный на изучении поглощения в видимой области спектра в интервале длин волн от 400 до 750 нм - фотометрия; а также метод, основанный на поглощении излучения в различных частях инфракрасной области электромагнитного спектра – ИК-спектрометрия, чаще всего используют поглощение излучения в средней (длина волны 2,5 - 25 мкм) и ближней (длина волны 0,8 - 2,5 мкм) ИК-области.
Фотометрический метод количественного анализа основан на способности определяемого вещества, компонента смеси или их окрашенных форм поглощать электромагнитное излучение оптического диапазона. Способность к поглощению зависит от цветности исследуемого вещества. Цветность определяется электронным строением молекулы, обычно ее связывают с наличием в молекуле так называемых хромофорных групп, обусловливающих поглощение электромагнитного излучения веществом в видимой и УФ-областях спектра.
Общая схема выполнения фотометрического определения едина и включает следующие стадии:
· подготовку пробы и переведение определяемого вещества или компонента в раствор, в реакционноспособную, в зависимости от химизма аналитической реакции, форму;
· получение окрашенной аналитической формы определяемого вещества в результате проведения цветной реакции при оптимальных условиях, обеспечивающих ее избирательность и чувствительность;
· измерение светопоглощающей способности аналитической формы, т. е. регистрация аналитического сигнала при определенных условиях, отвечающих его локализации и наибольшей интенсивности.
Промышленностью выпускаются различные приборы молекулярно-абсорбционной спектрометрии - колориметры, фотометры, фотоэлектроколориметры, спектрофотометры и т.д., в которых установлены различные комбинации источников света, монохроматизаторов и рецепторов. Приборы можно классифицировать следующим образом:
· по способу монохроматизации лучистого потока - спектрофотометры, т. е. приборы с призменным или решеточным монохроматором, позволяющие достигать высокой степени монохроматизации рабочего излучения; фотоэлектроколориметры, т. е. приборы, в которых монохроматизация достигается с помощью светофильтров;
· по способу измерения - однолучевые с прямой схемой измерения (прямопоказывающие) и двухлучевые с компенсационной схемой;
· по способу регистрации измерений - регистрирующие и нерегистрирующие.
Инфракрасная спектроскопия – это метод анализа химических соединений, при котором поглощается энергия в пределах инфракрасного излучения (тепловое излучение). ИК-спектроскопию применяют для определения практически любой функциональной группы, идентификации соединений и т.п. Различные молекулы, содержащие одну и ту же атомную группировку, дают в ИК-спктре полосы поглощения в области одной и той же характеристической частоты. Характеристические частоты дают возможность по спектру установить конкретные группы атомов в молекуле и тем самым определить качественный состав вещества и строение молекулы. В общем случае ИК – анализатор представляет собой однолучевой или двухлучевой инфракрасный спектрофотомер, состоящий из трех основных блоков: подготовки пробы, спектрофотометрических измерений, преобразования сигналов и вычислений. В настоящее время разработаны ИК-анализаторы, основанные на работе в ближайшей инфракрасной области спектра 0,8-2,5 мкм (БИК-анализаторы).
Молекулярно-люминисцентная спектрометрия. Метод анализа, основанный на измерении флуоресценции, называется флуориметрией . Флуоресценция (люминисценция – испускание света) обусловлена поглощением веществом света определенной длины волны. Поглощение ультрафиолетового света определенными молекулами с легковозбуждаемыми электронами приводит к флуоресценции в видимой спектральной области. Флуоресценция свойственна относительно небольшому числу соединений (ароматическим соединениям и порфинам). Ряд соединений можно перевести во флуоресцирующие, введя в молекулу флуоресцирующую группу. Основным преимуществом флуориметрии по сравнению с другими абсорбционными методами является высокая селективность, так как флуоресценцией обладает значительно меньшее число веществ. Метод применяют для чувствительного определения очень малых количеств элементов при анализе органических веществ, при определении малых количеств витаминов, гормонов, антибиотиков, канцерогенных соединений и др. Флуориметрию используют для определения микроорганизмов и соматических клеток.
Методика определения микроорганизмов состоит в специальной подготовке пробы, в процессе которой бактерии, содержащиеся в продукте, окрашиваются красителем в ярко-оранжевый цвет, в результате чего бактериальная суспензия приобретает способность флуоресцировать. Интенсивность флуоресценции пропорциональна числу микробов и контролируется электронным способом.
Флуориметрический метод контроля микроорганизмов достаточно универсален, имеет несложное аппаратурное оформление.
В атомной спектроскопии вещества исследуют, переведя их в состояние атомного пара – атомно-абсорбционная спектроскопия или газообразное состояние – атомно-эмиссионная спектроскопия. Метод атомной спектроскопии находит широкое применение при анализе различных видов сырья и пищевых продуктов. Метод позволяет определить около 70 различных элементов; используется для одновременного определения большого числа элементов (многоэлементарный анализ); для серийного анализа, благодаря высокой чувствительности и быстроте.
Атомно-абсорбционная спектрометрия основана на измерении поглощения электромагнитного излучения атомным паром анализируемого вещества. Измеряют фотометрически разность интенсивности излучения до и после прохождения через анализируемый образец. Прибором, позволяющим осуществить метод ААС, является
· атомно-абсорбционный спектрометр, имеющий следующие основные составные части,
· источник света определенной длины волны, характерной для исследуемого металла;
· «абсорбционную ячейку», в которой происходит атомизация пробы;
· монохроматор для выделения узкой части спектра определенной длины волны;
· фотоумножитель, который детектирует, усиливает и измеряет интенсивность результирующего светового потока;
· регистрирующее и записывающее результирующий сигнал устройство.
Источник света испускает поток луча, спектр которого характерен для определяемого элемента. Этот поток фокусируется через абсорбционную ячейку и монохроматор, где выделяется характерная для исследуемого элемента область спектра. Затем поток направляется в фотоумножитель и преобразуется в электрический сигнал. Величина последнего зависит от интенсивности поступающего в фотоумножитель светового потока и регистрируется специальным устройством.
Сравнивая результаты измерений в исследуемой пробе с результатами измерений в стандартных растворах, определяют содержание элемента в пробе.
В качестве источников излучения при определении содержания рассматриваемых металлов, как правило, используют лампы с полым катодом, являющиеся источниками линейных спектров. Катод такой лампы имеет форму полого цилиндра или стакана. Объем лампы заполнен инертным газом (неоном или иногда аргоном). Существуют многоэлементные лампы с полым катодом, например для определения содержания меди и цинка или меди, цинка, свинца и кадмия. Они бывают очень удобны. Их преимуществом является снижение затрат времени на прогрев ламп. Однако такие лампы, как правило, продуцируют излучение более низкой энергии, чем одноэлементные лампы, что в результате приводит к ухудшению чувствительности; могут возникать спектральные помехи.
В атомно-эмиссионной спектрометрии исследуют атомно-эмиссионные спектры, полученные в результате возбуждения атомов в газообразном состоянии.
Для перевода атомов в газообразное состояние и их возбуждения используют плазму, в качестве среды для получения плазмы применяют аргон. Существует два способа получения плазмы. В одном из них возбуждение происходит под действием электрических разрядов между электродами - плазма постоянного тока, а в другом- энергия высокочастотного переменного тока передается газу с по- мощью магнитной индукции - индуктивно-связанная плазма. При этом создаются высокие температуры, благодаря которым большинство атомов переходит в возбужденное состояние. Поглощение энергии такими атомами невозможно, поэтому при переходе из возбужденного состояния в основное происходит эмиссия (испускание) фотонов, интенсивность которой пропорциональна числу возбужденных атомов. Количественное определение элемента производят так же, как в атомно-абсорбционной спектрометрии.
Приборы, позволяющие осуществить метод АЭС, имеют те же основные части, что и атомно-абсорбционный спектрометр.
Спектроскопия магнитного резонанса. Масс-спектроскопия . Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)изучает магнитный резонанс, возникающий в результате взаимодействия магнитного момента ядра с внешним магнитным полем. С помощью метода ЯМР можно исследовать ядра с собственным момент количества движения (спин ядра) и связанным с ним магнитным моментом ядра.
Согласно квантовой механике собственный момент количества движения (спин) ядра принимает строго определенные значения. Так как спин ядра является вектором, то он характеризуется величиной и направлением. Во внешнем магнитном поле для спина ядра возможны две ориентации: вдоль и против направления силовых линий внешнего магнитного поля. Каждому значению спина соответствует определенное значение энергии. Переориентация спина ядра с изменением направления сопровождается поглощением энергии DЕ. Такие переходы вызываются воздействием на ядро радиочастотной области электромагнитного спектра. При этом анализируемая система поглощает энергию при строго фиксированных значениях частоты v, т. е. наблюдается явление резонанса. Такое поглощение энергии измеряют экспериментально, DE прямо пропорционально напряженности магнитного поля в месте расположения ядра и определяется как DЕ= hv, где h – постоянная Планка.
Спектроскопия электронного паромагнитного резонанса (ЭПР) изучает магнитный резонанс, возникающий в результате взаимодействия магнитного момента электрона с внешним высокочастотным (микроволновым) магнитным полем. Метод ЭПР служит для исследования внутримолекулярного окружения неспаренных электронов.
Теория магнитного резонанса применима не только к ядрам, но и к электронам, поскольку последние также имеют спин и магнитный момент. В отсутствие внешнего магнитного поля спины электронов беспорядочно ориентированы, а энергия электронов одинакова. В постоянном магнитном поле магнитные моменты электронов ориентированы соответственно направлению внешнего магнитного поля. Электроны с ориентацией спинов вдоль поля находятся на высоком энергетическом уровне, электроны с ориентацией против поля - на низком, более стабильном, уровне. Если на электроны, находящиеся в однородном магнитном поле воздействовать высокочастотным магнитным полем, направление, которого перпендикулярно направлению однородного магнитного поля, то при определенных соотношениях между напряженностью постоянного поля и частотой переменного поля наблюдается резонансное поглощение энергии переменного поля. Оно регистрируется на спектрометре в виде спектра электронного парамагнитного резонанса - ЭПР-спектра. При количественной оценке спектра в качестве основного аналитического параметра используют константу спин-спинового взаимодействия Масс-спектроскопия занимает особое положение среди спектроскопических методов. В строгом смысле слова этот метод не является спектроскопическим, так как вещество при анализе не подвергается воздействию электромагнитного излучения.
Масс-спектроскопия основана на изучении тока от фрагментов ионов, полученных из нейтральных молекул вещества путем воздействия на них пучка электронов.
Вещество, исследуемое методом ядерно-магнитного резонанса , помещают одновременно в два магнитных поля - одно постоянное, а другое радиочастотное. Измерение осуществляют на ЯМР-спектрометре, основными составляющими элементами которого являются: электромагнит (в простых приборах используют постоянный магнит); генератор радиочастотного излучения; датчик, в который помещают пробирку с образцом, электронный усилитель и интегратор, самописец. В ЯМР-методе используют следующие аналитические параметры: химический сдвиг, константа спин-спинового взаимодействия, интенсивность сигнала, время релаксации.
Метод электронного парамагнитного резонанса основан на измерении поглощения веществом энергии внешнего магнитного поля. Метод ЭПР применяют для анализа всех соединений, содержащих неспаренные электроны, независимо от их агрегатного состояния. Область применения определяется конструкцией кюветы. ЭПР является одним из самых чувствительных методов, предел чувствительности составляет10 "моль/л.
Масс-спектрометрия основана на получении ионов из нейтральных молекул путем воздействия на них пучком электронов, обладающих энергией, достаточной для ионизации. При этом, главным образом, образуются положительные ионы, которые могут распадаться на отдельные фрагменты. Регистрируемая завис мость ионных токов от массы отдельных фрагментов называется масс-спектром. Молекула, возбужденная в результате взаимодействия с электроном (с энергией более 10з кДж/моль), распадается с образованием положительного молекулярного иона и электрона (ионизация).
В большинстве случаев молекулярный ион обладает значительной внутренней энергией и быстро распадается далее с образованием заряженных и незаряженных фрагментов (фрагментация).
Осколочные ионы, в свою очередь, могут распадаться с образованием новых фрагментов. В некоторых случаях фрагментация сопровождается перегруппировками. Процесс фрагментации молекулярных ионов происходит до тех пор, пока не образуют ионы, внутренней энергии которых недостаточно для их дальнейшего превращения. Масс-спектрометры работают при высоком вакууме, что сводит к минимуму нежелательные межмолекулярные реакции и, кроме того, благоприятствует внутримолекулярной фрагментации.
Масс-спектр представляет собой спектр линий положительно заряженных ионов. Несмотря на то что реальной связи между масс-спектрометрией и оптической спектрометрией не существует, оба метода называют спектрометрическими из-за формального сходства графических изображений спектров.
Метод масс- спектрометрии применяют в научно-исследовательской практике для идентификации соединений и установления строения неизвестных веществ, точного определения молекулярной массы, определения элементарного состава, анализа следовых количеств биологически активных соединений, определения аминокислотной последовательности пептидов, анализа многокомпонентных смесей и т.п.
Macс -спектральный анализ основан на способности газообразных ионов разделяться в магнитном поле в зависимости от отношения m/е, где m - масса, е - заряд иона. Ионизация молекул в газе происходит под действием потока электронов. По величине m/е определяют массовое число иона, а по интенсивности соответствующего сигнала судят о концентрации ионов.
Качественный масс-спектральный анализ основан на измерении массы ионов. Идентификация масс поводится по положению линии на фотопластинке, которое фиксируют, измеряя расстояние между линиями с известной массой и анализируемой линией.
Количественные измерения в масс -спектрометрии проводят по току, фиксируемому детектором, или по почернению фотопластинки. В первом случае расчеты основаны на том, что пик ионного тока I пропорционален содержанию компонента или его парциальному давлению:
Где k, c - коэффициенты пропорциональности; с - концентрация; р - давление.
