Лк. 2 Атомно-абсорбционная спектрометрия

1. Сущность метода

2. Основные части прибора и принцип работы.

3. Атомизаторы

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.

Атомный пар получают распылением раствора анализируемого вещества в пламени. При этом небольшая часть атомов возбуждается пламенем, большая часть их остается в основном состоянии. Невозбужденные атомы поглощают характеристическое резонансное излучение определенной для каждого элемента длины волны. Вследствие этого оптический электрон атомы переходит на более высокий энергетический уровень и одновременно пропускает через плазму – излучение ослабляется.

Метод высокоселективный, поры обнаружения 10^-4%. Ошибка 1-5%.

Поглощение света атомами описывается законом убывания интенсивности прошедшего монохроматического излучения J_, которое зависит от толщины слоя плазмы l и концентрации С поглощающих атомов.

J_ = J_о ∙ , где

К_ - коэффициент поглощения на атом в центре линии поглощения;

J_о – интенсивность падающего на плазму монохроматического излучения.

Градулированный график, построенный в координатах А-С, представляет прямую линию, проходящую через начало координат.

После логарифмирования получаем зависимость:

А = lg J_о / J = k ∙ l ∙ C, где

А – абсорбция поглощающего слоя плазмы;

k – атомный коэффициент абсорбции.

2. Прибор – атомно-абсорбционный спектрометр.

Состоит:

• 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.

Принципиальная схема:

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, который 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.

3. Для автоматизации пробы используют атомизаторы двух типов: пламенные и непламенные.

В пламенном проба распыляется в пламени горелки. Капли раствора быстро разлагаются до молекулярного уровня. Молекулы диссоциируют, образуя атомы отдельных элементов.

Температура пламени газовых смесей

Горючая смесь			t раствора, оС
Химический элемент	Горючий газ	Газ – ???
	Н2  Аs, Sc	возд.	1725
Щелочные элементы	пропан	возд.	1825
Cu, Zn, Fe, Pb, Cd, Hg,	ацетилен	возд.	2050
Mg, Ca,	Н2	О2	2800
Be, Sr,	пропан	О2	2900
Ba, Nb	ацетилен	О2	3200
вольфрам, V, Мо, Al	ацетилен	оксид азота (I)	3400

Газовые смеси могут быть стехиометрическими, объединенными (с содержанием горючего в количестве менее стехиометрического) и обогащенными (с содержанием горючего в количестве больше стехиометрического).

Обедненную смесь называют окислительной, обогащенную - восстановительной.

Для количественного анализа необходимо, чтобы параметры горения были постоянными.

Типы газовых горелок:

- с предварительным смешением (происходит смешение анализируемого вещества с горючим газом и окислителем, при этом расходуется небольшая часть пробы (10-15%), а остальная часть отделяется в смесительной камере и выводится.

Полного сгорания (расходуется вся проба).

Чтобы равномерно распределить исследуемое вещество, применяют ультразвуковое распыление.

Схема горелки полного сгорания:

Определение элементов в атом-абсорбционном методе заключается в измерении относительной интенсивности 2-х световых потоков. Один из них проходит через анализируемое вещество, другое является контроль-м.

Прибор - атомно-абсорб. спектрофотометр.

Принцип – схема

1 – лампа с полым катодом

2 – модулятор

3 – зерцало

4 – щелевая горелка

5 – пламя

6 – тонкая пластинка, обеспечивающая наложение двух лучей

7 – входная щель монохроматора

8 – дифракционная решетка

9 – выходная щель

10 – фотоумножитель

11 – усилитель

12 измерительный блок

В непламенном атомизаторе используются высокотемпературные графитовые печи, в которых разогрев происходит за счет пропускания электрического тока. В кювету вводят анализируемую пробу 1-100 мкл и нагревают кювету электрическим током. Температура кюветы повышается ступенчато, так что на 1-ой стадии достигается физическая температура, обеспечивающая испарение растворителя. На второй стадии температура кюветы повышается так, чтобы произошло сухое озоление пробы.

На третьей – кювета разогревается до температуры 3000^оС, при которой происходит отомизация. На этой стадии производится измерение абсорбционного сигнала. На первых двух ступенях через кювету пропускают инертный газ (Ar или N₂). На стадии атомизации поток газа останавливают с тем, чтобы атомы оставались в абсорбционной ячейке по возможности дольше.

ААС используют для определения Рb и Сu, Нg в мясе.

ИК – спектрометрия.

ИК – спектрометрия – это метод анализа химических соединений, при котором поглощается энергия в пределах ИК излучения. ИК – спектрометрию применяют для определения любой функциональной группы, идентификации соединений и т.п.

Различные молекулы, содержащие одну и ту же атомную группировку, дают в ИК-спектре полосы поглощения в области одной и той же характеристической частоты. Характеристические частоты дают возможность по спектру устанавливать конкретные группы атомов в молекуле и тем самым определить качественный состав вещества и строение молекулы. Например, полюсы в области 3000 – 3600 см^-1 приписаны только О – Н – или N – Н - связям, полосы в области 2800-3000 см^-1 – связи С – Н, появление полосы в области 3300-3500 см^-1 – NН₂ – группы, связь С = С характеризуется частотой 1650 см^-1, С  С – 2100 см^-1.

К настоящему времени изучены и систематизированы ИК спектры более чем 20000 соединений.

ИК – анализатор представляет собой однолучевой или двулучевой ИК спектрофот-р, состоящий их 3-х блоков: подготовки пробы, спектрофотометрических измерений, преобразования сигналов и вычислений.

Количественный анализ основан на применении закона Бугера-Ламберта-Беза.

Коэффициент пропускания равен отношению интенсивности света, прошедшего через контрольную пробу к интенсивности света, прошедшего через исследуемый образец при волновых числах _А, _В.

Калибров граф строят по методу базовой линии. Базовая линия проводится в основании полосы поглощения.

где J_o(A), J_o(В) – интенсивность света, прошедшего через контрольную

пробу;

J_o(A), J_o(В) – интенсивность света, прошедшие через исследуемый

образец при волн. числ. _А, _В.

Применение: контроль показателей состава мясных продуктов (жир, белок, углеводы, влага, сухие вещества и др.). Так, максимумы поглощения жира наблюдаются при длинах волн 3,5 и 5,73 мкм, балка – 6,46, лактозы – 9,6, воды – 4,42 мкм.

Турбидиметрия

Основан на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через дисперсную систему J.

ИК

Контролируемые показатели: сухие вещества, фруктоза, глюкоза, сахароза, мочевина, карбоксильные кислоты.

Лк 3 ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Турбидиметрия и нефелометрия

План.

1. Сущность методов. Закон Рэлея

2. Преимущества нефелометрического анализа в сравнении с турбидиметрическим.

3. Схема и приборы

1. Сущность методов. Закон Рэлея

Турбидиметрия и нефелометрия – оптические методы исследования дисперсных систем, в основе которых лежит способность частиц дисперсной фазы рассеивать свет.

Метод, в котором используют линейное измерение, называют турбидиметрией, а метод с измерением под углом 90^о – нефелометрией.

Суть методов:

Пробы освещают потоком излучения интенсивностью J_о,

J_о – интенсивность падающего излучения;

J – интенсивность прошедшего излучения;

Jр₉₀ – интенсивность излучения, рассеянного под углом 90^о,

а затем измеряют интенсивность прошедшего излучения J или определяют интенсивность излучения, рассеянного под определенным углом.

С ростом числа частиц в суспензии отношение J/J_о уменьшается, а отношение Jр₉₀/J_о увеличивается до умеренных концентраций.

-2-

Турбодиметрия основана на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через дисперсную систему J.

Если принять рассеянный свет за поглощенный, то можно получить соотношение, аналогичное соотношению по закону Бугера-Ламб.-Бера.

D = lg J_о / J = tl =klC, где

D – оптическая плотность раствора, t – коэффициент мутности, l - толщина слоя, k – эмпирическая константа, С – концентр.

Нефелометрия основана на измерении интенсивности света, рассеянного дисперсной системой Jр₉₀. Способность частиц к рассеянию или отражению света определяется размером частиц и длиной волны падающего света. Интенсивность светового потока, рассеиваемого дисперсными частицами, определяется уравнением Рэлея:

J_р = J_о [F (NV² / ⁴ R²) (1+cos θ)];

где F – функция от показателей преломления;

N – общее число частиц;

V – объем частиц;

 - длина волны падающего света;

R – расстояние от детектора;

θ - угол рассеяния.

Если необходимо определить только размер частиц и их концентрацию, то достаточно измерить интенсивность рассеянного света под одним углом. В этом случае.

J_р = J_о КСV

Закон Рэлея:

При одной и той же концентрации отношение оптических плотностей пропорционально размерам частиц.

Калибровочный график – зависимость J_р от С.

-3-

2. Преимущества нефелометрического анализа в сравнении с турбидиметрическим.

2. более высокая чувствительность;

2) прямое измерение сигнала;

3) можно определить не только С, размер частиц, но их форму, характер взаимодействия и др. свойства.

3. Схема и приборы

Приборы: нефелометры, ОСС (определитель суспензионный спектрометрический), ФЭК определенной модификации и СФ, фото Метры. Все измерения связаны с видимым излучением.

Схема нефелометра:

1 – источник света;

2-3 – раздвигающиеся щели; 4,5 – стеклянные цилиндрики.

-4-

Нефелометры определяют относительную яркость рассеянного света в исследуемом растворе по сравнению с яркостью света в стандартном растворе.

Нефелометр имеет два одинаковых сосуда.

1 – опыт 2 – стандарт, которые освещены сбоку, при этом наблюдается явление Фарадея – Тиндаля.

Рассеянный золем свет попадает в оптическую часть прибора, находящегося над сосудиками.

Если золи имеют различную концентрацию, то интенсивность светорассеяния будет различна и в окуляр будут видны 2 различно освещенных полукруга – один темнее, другой – светлее. Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна числу частиц в единице объема. Поэтому освещенность полукругов будет одинаковой в том случае, если пучки лучей, падающих в исследуемый и стандартный золь, будут рассеяны одинаковым числом частиц. Тогда для золя с меньшим числом частиц в единице объема высота столба жидкости должна быть больше, а для золя с большим числом частиц в единице объема высота столба жидкости должна быть меньше.

Таким образом, при условии, что освещенность обоих полукругов одинакова, отношение высот должно быть обратно пропорционально числу частиц в единице объема:

Эти методы применяют в определении состава сырья и оценке технологических процессов (содержание жира,  дисперсного жира, концентрацию м/о при производстве бактериальных концентратов и т.п.