Билет 14. «Инструментальные методы анализа и экспертизы»
Общие принципы спектральных оптических методов анализа.
Сочетание высокой чувствительности, точности и быстродействия объясняет широкое распространение спектральных методов в биологии, экологии, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях знаний. Оптические методы позволяют получить сведения о строении и свойствах молекул и веществ в целом и применяются для изучения состояния биообъектов и характера изменений этого состояния в биологических системах (процессы полимеризации, деградации, связывание с другими молекулами, образование и распад фермент-субстратных комплексов, первичные фотофизические, а также фото- и радиационно-химические процессы с участием неустойчивых лабильных продуктов радикальной природы и т.д.).
Спектральные методы анализа основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Можно представить себе два случая такого взаимодействия. В первом из них излучение направляется на вещество и частично им поглощается. Метод анализа, в котором используются спектры поглощения, называется абсорбционной спектроскопией. Другая область спектрального анализа рассматривает
собственное излучение вещества, приведенного в возбужденное состояние каким-либо посторонним источником энергии. В большинстве случаев вещество нагревают в пламени газовой горелки, вольтовой дуги, в плазме электрического искрового разряда. В люминесцентных методах и при изучении комбинационного светорассеяния анализируемое вещество облучают потоком электромагнитных волн, энергия которых превращается во вторичное излучение. Перечисленные методы относятся к эмиссионной спектроскопии.
Напомним, что спектром называется совокупность электромагнитных излучений, испускаемых (спектр излучения) или поглощаемых (спектр поглощения) веществом.
Если рассматривать электромагнитный спектр в порядке возрастания длины волн, то нужно выделить следующие основные области: комические лучи, гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовая область, видимая область, инфракрасная область, микроволновая область, радиодиапазон. По мере увеличения длины волны излучения уменьшается его энергия. Так, энергия гамма-излучения составляет 10в8-10в9 ккал/моль, энергия УФ-излучения - 10в2-10в3 ккал/моль (вакуумная область) и 72-200 ккал/моль (кварцевая область), ИК-область - 1-10в-2, радиодиапазон - 10в-8-10в-4 ккал/моль.
В техническом анализе практически используются только УФ-, видимая и ИК-области спектра.
Для проведения количественного анализа можно построить эмпирический график зависимости поглощения от концентрации, используя для этого искусственно приготовленные смеси известного состава, а затем сравнить с этим графиком данные для анализируемого образца. Во многих случаях можно пользоваться простым соотношением, известным как закон Бугера - Ламберта - Бера
Важнейшими составными частями приборов для спектральных исследований являются источник излучения, монохроматор (призма или дифракционная решетка для разложения спектра) и регистрирующее устройство. Исследуемое вещество помещают между источником излучения и монохроматором или между монохроматором и регистрирующим устройством. Материал, из которого изготавливаются кюветы для анализируемого вещества и призмы для монохроматора, не должен поглощать в исследуемой области спектра. Приемники излучения должны быть чувствительными в изучаемой области длин волн. С их помощью последовательно сканируется исследуемая область спектра и записывается интенсивность (или поглощение) в зависимости от длины волны.
Если вы предпочитаете Википедию, то вот:
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и дрг.
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. 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.