Люминесцентный метод

Люминесцентный метод анализа основан на способности некоторых веществ отдавать в виде светового излучения поглощенную ими энергию.

Для того, чтобы вещество люминесцировало, его необходимо возбудить. При этом, с точки зрения современного строения вещества, молекулы или ионы при поглощении избыточного количества энергии переходят с нормального нижнего энергетического уровня на один из возможных верхних уровней. Такое состояние является неустойчивым, и если возбужденная частица достаточно изолирована от внешних влияний, то по истечении некоторого отрезка времени (10^-9 + 10^-3 сек.) частица самопроизвольно переходит на нормальный или один аз нижних энергетических уровней. Освободившаяся при этом энергия излучается в виде света.

Люминесценция может быть вызвана различными источниками: катодным излучением, радиоактивным излучением (α, β, γ, рентгеновским) и др. Свечение, возникающее под действием лучистой энергии - видимого и ультрафиолетового диапазона спектра, называют фотолюминесценцией.

По продолжительности послесвечения различают две группы фотолюминисенции:

• флуоресценцию, когда послесвечение при визуальном наблюдении практически прекращается по окончании возбуждения;

• фосфоресценцию, когда излучение продолжается в течение определенного времени после возбуждения.

Наибольшее применение в аналитической практике нашел флуоресцентный метод анализа.

Основные закономерности и факторы, влияющие на флуоресценцию веществ в растворе:

1. Спектр излучения и его максимум смещены по сравнению со спектром поглощения в сторону длинноволнового конца спектра (закон Стокса). Так, при возбуждении свечения ультрафиолетовыми лучами флуоресценцию наблюдают в видимой области спектра или в ультрафиолетовой, но с большей длиной волны.

2. «Выход флуоресцентного излучения», то есть отношение излучаемой энергии к энергии поглощенной, зависит от концентрации флуоресцирующего вещества. В определенном интервале концентраций порядка от 10^-4 до 10^-5 г/мл или меньше интенсивность флуоресценции вещества в растворе пропорциональна концентрации флуоресцирующего вещества в растворе. При больших концентрациях эта зависимость нарушается и интенсивность свечения может снижаться, наступает «концентрационное тушение», или «гашение» флуоресценции.

3. Интенсивность флуоресценции может снижаться от присутствия в растворе посторонних веществ, как органических, так и неорганических. Повышение температуры выше определенного предела в некоторых случаях приводит к тушению флуоресценции.

4. Интенсивность флуоресценции существенно зависит от рН раствора, применяемого растворителя, вязкости среды, степени дисперсности вещества и ряда других факторов. Все эти факторы учитывают при проведении флуоресцентного анализа.

Количественный флуоресцентный метод анализа основан на определении концентрации искомого вещества по интенсивности флуоресценции раствора. В некоторых случаях проводят измерение интенсивности флуоресценции твердых сплавов искомого вещества с соответствующими солями.

Для оценки интенсивности флуоресценции пользуются визуальным и объективным методами. Возбуждение флуоресценции производят главным образом ближним ультрафиолетовым излучением (315-400 мμ).

В практике промышленно-санитарного анализа нашел применение количественный метод, основанный на визуальном измерении интенсивности флуоресценции анализируемого раствора путем сравнения со стандартной шкалой.

Для объективного определения интенсивности флуоресценции используют специальные приборы – флуориметры.

Хроматографический метод

Хроматографический метод является в настоящее время одним из распространенных физико-химических способов разделения сложных смесей. Основоположником хроматографического адсорбционного анализа является русский ученый - биохимик и ботаник М.С. Цвет.

Различают адсорбционную, ионообменную и распределительную хроматографию для жидких и газовых смесей анализируемых веществ.

Адсорбционная хроматография

Адсорбционная хроматография основана на избирательной адсорбии (поглощении) одного али нескольких компонентов из жидкой или газовой смеси соответствующими сорбентами, помещенными в колонку. При этом наиболее хорошо сорбируемые вещества задерживаются в верхних слоях сорбента, менее сорбируемые располагаются ниже и совсем не сорбирующиеся при данных условиях вещества проходят сквозь сорбант. При промывании колонки соответствующим растворителем, ниже расположенные зоны десорбируются быстрее, чем расположенные выше. Таким образом, в приемник можно поочередно собирать чистые компоненты анализируемой смеси.

При графическом изображении процесса вымывания выходные кривые имеют максимумы. Количество их соответствует количеству компонентов в анализируемой смеси, а площадь, ограниченная кривой, отражает количественное содержание каждого компонента (концентрацию компонента). Если зоны каждого компонента хорошо обособлены, то для каждой зоны на выходной кривой получаем максимум, а между соседними максимумами - минимум, почти доходящий до нуля. Если зоны хроматограммы взаимно накладываются, то максимумы на выходной кривой не резко отличаются друг от друга.

В качестве сорбентов применяют активированный уголь, силикагель, окись алюминия, окись кальция и др. Величина сорбции, например, для гомологического ряда углеводородов повышается с увеличением молекулярного веса, а также с увеличением количества двойных связей в соединениях. При повышении температуры величина сорбции уменьшается поэтому, меняя температуру, можно изменять режим сорбции в широких пределах.

Большое значение имеет выбор проявителя. В случае жидкостной хроматографии растворитель должен сорбироваться хуже, чем любое из разделяемых веществ. При газовой хроматографии в качестве проявителя применяют хроматографически индифферентный газ - воздух, азот, гелий, углекислый газ и др.

Для фиксации выходящих компонентов применяют главным образом термохимические детекторы, основанные на измерении их теплопроводности и теплоты горения. Детекторы этого типа не чувствительны для определения малых количеств исследуемых веществ. Высокой чувствительностью отличаются ионизационные счетчики, принцип действия которых основан на различных потенциалах ионизации разных молекул. Идентификация разделенных веществ может быть основана на инфракрасной спектрометрии, методе масс-спектрометрии и т.д.

Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография отличается от адсорбционной тем, что на ионитах одновременно с сорбцией одного иона из раствора происходит десорбция другого иона, ранее связанного с сорбентом. Обмениваться между раствором и сорбентом могут одноименные ионы, то есть одинаково заряженные. Вследствие этого различают процесса анионного и катионного обмена. Иониты, на которых протекает процесс катионного обмена, называют катионитами, при процессе анионного обмена - анионитами.

В качестве ионитов применяют главным образом фенольно-формальдегидные синтетические смолы, представляющие по своей химической природе кислоты - катиониты и основания - аниониты.

Активными группами катионитов являются кислотные группы. Наиболее важные катиониты содержат сульфогруппы SO₃H, которые диссоциируют даже в кислой среде. В некоторых случаях используют также иониты слабокислотного типа, например смолы, содержащие карбоксильные СООНгруппы. В реакциях обмена во всех случаях участвует водород функциональной группы. Реакция ионного обмена обратима, на чем основана способность катионита регенерироваться при обработке кислотами.

Аниониты можно рассматривать как высокомолекулярные нерастворимые основания или как соли таких оснований. Активными группами таких анионитов являются аминогруппы NH₂, NHR, NHR₂ или четвертичные аммониевые группы NR₃. В реакциях обмена анионитов обычно участвуют гидроксильные группы амаониевых оснований.

Регенерируются аниониты обычно слабым раствором щелочи.