59. Применение колориметрии, люминесцентного анализа в контроле качества окружающей среды.

Фотоколориметрический анализ основан на сравнении интенсивности окрасок исследуемого раствора и стандартного раствора определенной концентрации.

В фотоколориметрии используют фотоэлектроколориметры, в каждом которых имеется несколько основных узлов. Такими узлами являются:

1 2 5 3 4 1-источник света (вольфрамовые лампы

накаливания, газонаполненные лампы, штифт Нернста и глобар)

2-монохроматизатор света – устройство для получения света с заданной длинной волны. В качестве монохроматизатора используют светофильтры и призмы.

Действие абсорбционных светофильтров основано на том, что при прохождении света через тонкий слой вследствие поглощения происходит изменение величины и спектрального состава проходящего светового потока. Призмы позволяют получать свет высокой монохроматичности в широкой области длин волн.

3-кювета с исследуемым веществом.

4-приемник света, в качестве которого используют фотоэлементы и фотоумножители. Фотоэлемент преобразует энергию излучения в электрическую. Возникающий электрический ток измеряют чувствительным гальванометром.

5-оптическая система, состоящая из линз, призм и зеркал, которая служит для создания параллельного пучка света, изменения направления и фокусировки света, а так же для уравнивания интенсивности световых потоков. В спектрофотометрии оптическая система включает устройство выделения спектрального интервала.

Количественный анализ в фотоколориметрии основан на законе светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера: I=I₀*10^-εcl, где I_0,I - интенсивность потока света, падающего и прошедшего через раствор, ε - коэффициент поглощения, который не зависит от концентрации С, а зависит от длины волны и природы вещества, l - толщина поглощающего слоя.

Функциональная зависимость между оптической плотностью раствора D и концентрацией С может быть установлена графически. Для этого предварительно готовят серию растворов определяемого вещества различной концентрации, измеряют значение D этих растворов и по полученным данным строят кривую зависимости D=f(C). По полученному градуировочному графику, определив значение D_x, можно найти концентрацию определяемого вещества.

Достоинством фотоколориметрического метода измерения интенсивности окраски является быстрота и легкость определения при высокой их точности.

Недостатки: 1) измерения нужно проводить через строго определенный интервал времени; 2) на точность определения могут оказывать влияние окрашенные органические вещества.

Фотоколориметрический метод используется для определения концентрации SO₂, озона и фотооксидантов в атмосферном воздухе; нитратов в природных и сточных водах и др.

Люминесценция – это свечение атомов, молекул, ионов, и других более сложных комплексов возникающее, в результате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное. От излучения нагретых тел она отличается своей неравновесностью: люминесценция практически не использует тепловую энергию излучающей системы, поэтому ее часто называют холодным светом.

При поглощении кванта света электрон переходит с основного уровня на более высокий, соответствующий возбужденному состоянию. Возбужденные состояния – короткоживущие, поскольку они теряют свою электронную энергию. Возбужденные молекулы переходят в основное состояние, испуская свет.

Процессы высвечивания, прекращающиеся практически одновременно с прекращением возбуждения, называют флуоресценцией, а продолжающиеся заметное время после прекращения возбуждения – фосфоресценцией.

Явление выделения света молекулами или атомами, предварительно возбужденными за счет энергии химической реакции, называют хемилюминесценцией. Хемилюминесценция наблюдается лишь в том случае, если в растворе происходят элементарные экзотермические акты, энергия которых больше 170 кДж/моль.

Преимуществом хемилюминесценции являются низкие пределы обнаружения 10^-10- 10^-4 г/мл при конечном объеме 2-5 мл, достаточная точность определения, экспрессность, простота аппаратуры. Недостатком метода является малая селективность реакций, но варьирование условий определения и применение маскирующих агентов часто позволяет устранить этот недостаток. Так же недостатком является то, что большинство реакций протекает с выделением тепла и только в некоторых реакциях часть энергии выделяется в виде света.

Когда говорят о люминесцентном методе анализа, под этим обычно понимают фотолюминесценцию. Различают обычно две группы методов: анализ по непосредственному наблюдению люминесцирующего материала и анализ, основанный на переведении определяемого компонента в люминесцирующее соединение. В обоих случаях необходимо перевести определяемый компонент в соединение, которое, возможно, более сильно поглощает свет. Для люминесцентного анализа эту реакцию можно использовать только в том случае, если значительная часть поглощенной энергии выделяется не в виде тепла, а в виде света. Естественно, что это явление более редкое, поэтому общее число люминесцентных методов меньше, чем фотометрических. В то же время люминесцентные методы при некоторых условиях более чувствительны по сравнению с фотометрическими.

Для качественного анализа используют собственную люминесценцию, а так же реакции образования комплексных соединений неорганических ионов с органическими реагентами, в результате чего появляется люминесценция. В качественном анализе можно так же использовать изменение цвета или тушение люминесценции под действием обнаруживаемого вещества. Явление тушения люминесценции заключается в том, что при увеличении концентрации разбавленных растворов вещества люминесценция возрастает сначала пропорционально концентрации, а далее увеличение интенсивности люминесценции «отстает» от увеличения концентрации.

В количественном анализе используют зависимость интенсивности люминесценции I_л от концентрации определяемого вещества: I_л=kC. Здесь большое значение имеет квантовый выход: чем он больше, тем меньше количества вещества можно обнаружить.

Большой интерес вызвало применение люминесцентных индикаторов в титриметрических методах. Люминесцентные индикаторы (α – нафтиламин, акридин и др.) изменяют цвет или интенсивность люминесценции в зависимости от свойств участников реакции, pH раствора или присутствия окислителя.

Используя люминесцентные индикаторы можно титриметрически определять Al, Ga, Zr, Cu, Pb, висмут и сурьму в виде галогенидных комплексов.

В практике люминесцентных методов значительное место занимает анализ обнаружения. По люминесценции фосфора и других веществ обнаруживают ИК, УФ, рентгеновское и гамма излучения, регистрируют потоки протонов, нейтронов, электронов, α-частиц.

Методы люминесцентного анализа успешно используют в анализе бензола, нафталина и их многочисленных производных, биологически активных веществ.

Достоинствами люминесценции являются: 1) высокая чувствительность определения; 2) исключительно низкий предел обнаружения - до 10^-3 мкг/мл; 3) большой диапазон определяемых содержаний - иногда до 4 порядков величин концентраций; 4) возможность анализировать достаточно сложные смеси; 5) возможность анализа мутных и окрашенных сред при применении люминесцентных индикаторов; 6) простота применения и небольшая стоимость аппаратуры .

Недостатки: 1) не всегда удается достичь требуемой селективности. Высокой селективностью обладают методы, основанные на собственной люминесценции, но число элементов, для которых характерен такой вид свечения, ограничено; 2) хоть люминесценцию наблюдают в направлении, перпендикулярном направлению потока возбуждающего света, но и в этом случае возбуждающий свет рассеивается поверхностью жидкости, стенками кюветы, а также частицами пыли в растворе; 3) часть энергии возбуждения теряется в виде тепла, поэтому энергия квантов света, выделяющегося при люминесценции, будет меньше, чем энергия квантов возбуждающего света.

Интенсивность люминесценции можно измерять визуально и с помощью специальных приборов – флуориметров.

Принципиальная схема:

1 3 1 – источник света

2 – первичный светофильтр

3 – кювета с анализируемым

раствором

4 4 – вторичный светофильтр

2 5 - фотоэлемент

5

Свет от источника освещения 1 проходит через светофильтр 2, который выделяет лучистый поток определенной длины волны, и попадает на кювету 3. Приемник света (фотоэлемент) измеряет люминесцентное излучение под прямым углом к направлению возбуждающего света. Светофильтр 4 поглощает рассеянный свет от источника возбуждения и пропускает свет люминесценции. В качестве источника излучения используют газоразрядные, ртутно-кварцевые и ксеноновые лампы.

Для количественного измерения люминесценции обычно пользуются светофильтром, а для измерения спектрального распределения люминесценции пользуются монохроматором.

Люминисцентный метод – надежный экспрессный высокочувствительный метод систематического контроля состояния биосферы, позволяющий определять микроэлементы, а также индивидуальное и суммарное содержание органических веществ.