1.3. Фізичні методи

Спектральний аналіз — це фізичний метод визначення складу та будови речовини за її спектром — упорядкованим за довжиною хвилі електромагнітним випромінюванням. Для збудження речовини використовують полум'я пальника, енергію електричної дуги чи іскри.

Спектральний аналіз дає змогу встановити елементний, нуклідний і молекулярний склад речовини та її будову (атомно-емісійний спектральний аналіз).

Методом полуменевої фотометрії кількісно визначають понад 70 хімічних елементів, зокрема й катіони лужних і важких металів у природних водах.

Атомна-абсорбційний спектральний аналіз грунтується на визначенні концентрації ре­човини за поглинанням шаром атомної пари елемента монохроматичного резонансного випромінювання.

Атомно-абсорбційний аналізатор МГА-915 — спектрометр із земанівською корекцією застосовують для елементного аналізу природних, питних і стічних вод, грунтів, біологічних проб повітря (при об'ємі проби 40 мкл межі визначення окремих елементів становлять: Zn - 0,004, Сd і Сr - 0,03, Сu - 0,07, Рb - 0,12 мкг/л).

Переносний аналізатор ртуті РА-915 дає змогу проводити неперервний моніторинг вмісту цього токсичного металу в повітрі робочого приміщення, в атмосферному повітрі з автомобіля, судна, гелікоптера; методом холодної пари — у водах, методом піролізу — в харчових продуктах, нафті, крові, волоссі.

Портативний рентгенофлуоресцентний спектрометр Спектроскан-S дає можливість визначати вміст 73 хімічних елементів. В екології його застосовують для контролю виробничих викидів, визначення концентрації металів у повітрі, воді, грунті, в пошуку руд, для контролю збагачення.

Мас-спектрометрія базується на розділенні газоподібних йонів у магнітному полі залежно від відношення величини маси йона (m) до його заряду (z), яке впливає на інтенсивність сигналу. Метод застосовують переважно для визначення відносних ізотопних мас та ізотопного вмісту елементів, а також відносних молекулярних мас і структури органічних речовин. Мас-спектрометрією виявляють у грунті надзвичайно небезпечну забруднювальну речовину — тетрахлордибензодіоксин у концентрації 10^-6 мг/кг.

Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР) відображає взаємодію магнітного моменту ядра молекули речовини із зовнішнім магнітним полем. Метод дає змогу працювати в широкому діапазоні концентрацій, визначати, зокрема, вміст різних форм алюмінію та інших металів у природних водах.

Радіометричні методи аналізу грунтуються на виявленні й вимірюванні як природної, так і штучної радіоактивності.

Для кількісного визначення радіоактивності використовують поняття абсолютної активності радіоактивних речовин, яку вимірюють у кюрі, та питомої активності — радіоактивності одиниці маси даної речовини, тобто міри відносного вмісту радіонуклідів у досліджуваному зразку, її виражають числом розпадів за хвилину (чи секунду) і вимірюють у беккерелях.

Використовуючи природну радіоактивность, кількісно визначають понад 20 хімічних елементів, зокрема уран, торій, радій, актиній. Калій можна визначити у воді в концентрації 0,05 моль/л. Природна радіоактивність лежить в основі пошуку уранових руд за допомогою авіації та супутників.

Радіонукліди застосовують для виявлення пошкоджень у газопроводах, місць витікання води з магістральних колекторів стічних і каналізаційних вод.

Активаційний аналіз грунтується на опроміненні нерадіоактивних елементів нейтронами, протонами та іншими високоенергетичними часточками, внаслідок чого вони набувають радіоактивності.

На практиці використовують відносний метод аналізу, коли за однакових умов опромінюють досліджуваний зразок і еталон з відомим вмістом досліджуваного елемента. Часто зразок після опромінення розчиняють, здійснюють концентрування методами осадження, співосадження, екстракції, хроматографії і визначають активність продуктів розділення.

Метод ізотопного розбавляння полягає у введенні ізотопа визначуваного елемента в аналізований розчин, що набуває активності, потім цей елемент переводять в осад (екстрагують, хроматографують) і визначають активність розчину після його видалення. За різницею визначають активність осаду (екстракту, елюату) і обчислюють вміст компонента в зразку.

Рентгеноспектральний аналіз базується на послабленні інтенсивності рентгенівського випромінювання під час проходження крізь пробу. В рентгенофлуоресцентному аналізі на пробу діє первинне рентгенівське випромінювання, під впливом якого виникає вторинне рентгенівське випромінювання проби, характер якого залежить від якісного та кількісного складу аналізованої речовини.

Люмінесцентний аналіз грунтується на здатності речовин випромінювати світло під дією різних збудників: ультрафіолетового випромінювання або видимого світла (фотолюмінесценція), розламування (тріболюмінесценція), енергії хімічної реакції (хемілюмінесценція), яка дуже поширена в живій природі: світяться окремі види молюсків, ракоподібних, глибоководних риб, червів внаслідок взаємодії кисню з люциферином; ця реакція каталізується ферментом люциферазою, а явище називають біолюмі-несценцією.

Деякі мінерали, наприклад флюорит СаF₂, світяться при дії на них ультрафіолетового випромінювання, що використовують для безконтактного пошуку корисних копалин, зокрема нафти, виявлення плям нафти і нафтопродуктів на поверхні грунту чи водної гладі Світового океану.

Сортовий аналіз використовують для визначення якості зерна (свіже і зерно, що псується, світяться по-різному в УФ-променях), різних видів палива, виявлення забруднень, сурогатів, підробок.

Тривалий час у більшості екологічних, технологічних, біохімічних лабораторій домінували фотометричні методи. Але зниження ГДК і необхідність визначення забруднювальних і токсичних речовин у надзвичайно малих концентраціях зумовили широке впровадження люмінесценції, яка має високу селективність, дає змогу працювати з малими об'ємами, що зумовлює її переваги перед фотометричними методами.

Люмінесцентним методом аналізують природні й стічні води, повітря, грунт, продукти, визначають нафтопродукти — до 0,005 мг/л, феноли — 0,0005, кадмій — 0,0005, купрум -0,05, у питній воді — плюмбум до концентрацій 0,005 мг/л, бенз(о)пірен — 0,00002 мг/л (ГДК цього забруднювача у повітрі населених пунктів — 0,0000001 мг/м3).

У хемілюмінесцентному аналізі використовують суміш: люмінол + пероксид гідроге­ну (при рН>8,5), люцигенін + пероксид гідрогену (рН>9 — виникає блакитна люмінесценція); силоксен + окисник (рН<5,0, рожева люмінесценція); каталізують ці реакції метали Сr(III), Мо(VI), Нf(ІV), Мn(II) та ін. Інтенсивність люмінесценції прямо пропорційна концентрації каталізатора (швидкості хімічної реакції), тому хемілюмінесценцію застосовують у кінетичних методах аналізу. Метод дає змогу визначати метали в надзвичайно малих кількостях (до 10^-8 %).

Кількісний хемілюмінесцентний аналіз базується на вимірюванні інтенсивності або кількості виділеного в хімічній реакції світла фотографічним методом та за допомогою хемілюмінесцентних фотометрів. Хемілюмінесцентним методом визначають наявність мастил, каучуків, вітамінів, бітумів. Це один з найчутливіших методів, який дає змогу вияви­ти 10—10^-4 мкг/мл речовини.

Чутливість (найменша кількість речовини, яку можна виявити певним методом) інструментальних (фізичних та фізико-хімічних методів аналізу) наведена в табл. 2.

Таблиця 2. Чутливість інструментальних методів аналізу

Метод	Межа виявлення, г	Метод	Межа виявлення, г
Фотометрія	1 • 10-6	Кулонометрія	1 • 10-10
Полярографія	1 • 10-8	Флуорометрія	1 • 10-10
Атомно-абсорбційний спектральний аналіз	1 • 10-10	Газова хроматографія	1 • 10-11
		Кінетичний аналіз	1 • 10-11
Емісійний спектральний аналіз	1 • 10-10	Мас-спектрометрія	1 • 10-12
		Радіоізотопний аналіз	1 • 10-15