ценции. Спектр замороженного раствора будет состоять из большого числа очень узких полос, больше похожих на линии. Такие спектры называются квазилинейчатыми. Для их получения надо специально подбирать растворитель и очень сильно охлаждать раствор – до температуры жидкого азота (–196 °С). Данный эффект носит название эффект Шпольского (рис. 6.29).
Рис. 6.29. Спектр люминесценции раствора антрацена в н-гексане при комнатной температуре (справа) и при –196 °С (слева)
Количественный люминесцентный анализ. Интенсивность люми-
несценции Iлюм пропорциональна числу поглощенных квантов возбуждающего света (Nпогл) и квантовому выходу люминесценции:
Iлюм = K В Nпогл , |
(6.34) |
где К – коэффициент пропорциональности.
Как было установлено С.И. Вавиловым, квантовый выход (B) не зависит от длины волны возбуждающего света (вплоть до некоторого значениякрит, специфического для каждого Х). При крит люминесценция Х не наблюдается. Квантовый выход зависит от температуры. С повышением температуры квантовый выход падает, этот эффект называют температурным тушением люминесценции. Квантовый выход вещества Х может также зависеть от рН раствора, если при изменении рН сдвигается равновесие между разными формами Х, а способность к люминесценции у разных форм Х неодинакова (этот эффект проявляется у флуоресцентных индикаторов). Например, флуоресцеин сильнее светится в щелочном растворе. А люминесценция углеводородов не зависит от рН раствора, поскольку они не способны к протолизу.
Используя математическое выражение закона Бугера–Ламберта–Бера в его экспоненциальной форме (см. формулу 6.28), после несложных преоб-
разований можно связать число поглощенных квантов с молярной концентрацией Х в исследуемом растворе:
Nпогл = k I0 (1 – |
10–εlc). |
(6.35) |
При условии εlc << 1, Nпогл ≈ 2,3k I0 |
εlc. Подстановка этого выражения |
в формулу (6.34) приводит к искомой зависимости интенсивности люминесценции от концентрации:
Iлюм ≈ 2,3k В I0 ε l c. |
(6.36) |
Очевидно, аналитический сигнал Iлюм должен быть прямо пропорционален концентрации Х. Чувствительность определения Х тем выше, чем больше интенсивность возбуждающего света и чем выше квантовый выход люминесценции.
Уравнение (6.36) является основанием для проведения расчетов в количественном люминесцентном анализе. Оно определяет возможность построения градуировочных графиков, использования метода добавок или метода сравнения с эталоном. Однокомпонентные системы изучают с применением флуориметра, многокомпонентные – с применением спектрофлуориметра. Важно, чтобы при измерения сигнала пробы и эталонов все условия сохранялись неизменными (температура, растворитель, рН, толщина слоя раствора в кювете, длины волн или светофильтры при возбуждении и регистрации люминесценции).
Однако условие εlc << 1, обеспечивающее прямолинейность градуировок, выполняется только при очень малых концентрациях Х, обычно до 10–7–10–5 моль/л. В соответствии с формулой (6.35) при больших концентрациях градуировочные графики начинают искривляться, их наклон уменьшается. Одновременно может уменьшаться и квантовый выход люминесценции. Этот эффект называют концентрационным тушением. Причинами являются: увеличение вероятности безызлучательных переходов из-за более частых столкновений молекул Х; образование ассоциатов Х; самопоглощение люминесценции невозбужденными молекулами Х. Концентрационное тушение может приводить не только к искривлению градуировок, но и к снижению сигнала при увеличении концентрации Х (рис. 6.30). Одному и тому же значению сигнала начинают соответствовать две разные концентрации Х. Чтобы устранить неоднозначность результата, можно разбавить раствор и вновь измерить его люминесценцию. Если при этом интенсивность люминесценции уменьшилась, значит, концентрация раствора была равна С1, если увеличилась – С2 . Перечисленные закономерности люминесценции и их физическое объяснение детально описаны в дополнительной литературе.
Рис. 6.30. Зависимость интенсивности люминесценции от концентрации Х в условиях концентрационного тушения
Снижение интенсивности люминесценции нередко происходит из-за присутствия посторонних веществ. Механизм влияния примесей может быть химическим или физическим. Химическое взаимодействие между Х и примесью может приводить к образованию соединений, которые при данной длине волны не люминесцируют (или вообще не люминесцируют). Это могут быть окислительно-восстановительные реакции, реакции протолиза, комплексообразования или осаждения. В присутствии некоторых примесей резко снижается квантовый выход, причем тем сильнее, чем выше концентрация этой примеси («гашение люминесценции»). В результате будут получены ошибочные (заниженные) результаты люминесцентного анализа. Вместе с тем, если эффект гашения люминесценции пропорционален концентрации некоторой примеси, это может быть использовано для ее количественного определения.
Физический механизм не обязательно связан со снижением квантового выхода. Нередко влияние примесей объясняется тем, что посторонние вещества поглощают люминесцентное излучение Х.
Метрологические характеристики люминесцентного анализа. Мы уже отмечали основное достоинство люминесцентного анализа – его высокую чувствительность. Так можно определять концентрации порядка 10–8– 10–7 г/л, а в отдельных случаях – до 10–12 г/л. Весьма высока и селективность определения люминесцирующих веществ (особенно в условиях эффекта Шпольского). А вот воспроизводимость метода невысока, она значительно хуже, чем воспроизводимость фотометрического анализа (вспомним, сколько трудноконтролируемых факторов влияют на квантовый выход и общую интенсивность люминесценции!). Величина sr здесь обычно не меньше, чем 0,10–0,15. Общая же погрешность результата анализа нередко доходит до 20–30 %. Именно поэтому люминесцентный анализ преимущественно используют там, где нужны высокая чувствительность и селективность, а очень высокая точность не требуется. Например, при оценке загрязнения окружающей среды.
433
6.4. Некоторые другие методы анализа*
Ограниченный объем данного учебника не позволяет детально охарактеризовать многочисленные инструментальные методы, не относящиеся к числу электрохимических или спектроскопических (в оптическом диапазоне). Однако такие методы уже широко применяются в аналитических лабораториях и позволяют получать важную информацию о составе и структуре исследуемых объектов. Чтобы проиллюстрировать возможности подобных методов, достаточно бегло рассмотреть в качестве примера лишь три из них:
один из самых простых и доступных – рефрактометрию растворов;
один из самых экспрессных и селективных – рентгеновскую спектрометрию;
один из самых чувствительных и универсальных методов анализа – масс-спектрометрию.
6.4.1.Рефрактометрия
К числу оптических методов, не связанных с энергетическими переходами в атомах или молекулах, относят рефрактометрию и поляриметрию. Это чисто физические методы, применяемые в основном для молекулярного анализа.
Рефрактометрия основана на измерении показателя преломления светового луча при прохождении его через границу раздела фаз. Показатель преломления (n) чистых жидкостей (или растворов, или прозрачных твердых веществ) – это безразмерная величина, которую обычно измеряют по отношению к воздуху. Измерения проводят при комнатной температуре, применяя несложные оптические приборы, называемые рефрактометрами. Для чистого вещества (индивидуального соединения) величина n в основном определяется природой этого вещества. В справочной литературе можно найти значения nd20, т. е. значения показателя преломления разных веществ, измеренные при 20 С с использованием излучения натрия на длине волны 589 нм (d-линия). Для большинства чистых веществ, а также их смесей и растворов значения nd20 находятся в интервале от 0,5 до 2,0. Например, для чистой воды nd20 = 1,3330; для ацетона – 1,3591; для бензола – 1,5011. Поскольку для каждого чистого вещества показатель преломления – точно известная физическая константа, рефрактометрию можно использовать для идентификации веществ, особенно органических. Следует лишь помнить, что разные химические соединения могут иметь одинаковые значения показателя преломления. Опознавать вещества только по величине nd20 нельзя!
Величина показателя преломления любого образца в какой-то степени зависит от температуры и от длины волны света, который пропускают через образец в ходе измерений. Однако при рефрактометрическом опознании чистых веществ влиянием этих факторов обычно можно пренебречь.
Показатель преломления смеси зависит от природы и концентрации каждого ее компонента. Если раствор содержит только одно растворенное вещество Х, то концентрацию Х можно найти по градуировочному графику. Обычно для построения графика готовят серию эталонных растворов, а затем измеряют значения n в строго определенных условиях. Чтобы исключить фон, создаваемый растворителем, график строят в координатах n – f(С), где вторичный сигнал n вычисляют по разности:
n = nраствора – nрастворителя.
В области разбавленных растворов градуировочный график прямолинеен. Следует обратить внимание, что показатель преломления раствора изменится при добавлении любого постороннего вещества, т. е. рефрактометрический метод совершенно неселективен. Установить концентрации отдельных компонентов неразделенной смеси рефрактометрическим методом нельзя.
Пределы обнаружения растворенных веществ зависят от точности измерений на конкретном рефрактометре, но, как правило, они не ниже 0,1 % (абс.). Таким образом, рефрактометрия не только неселективный, но и малочувствительный метод. Однако этот метод имеет и свои достоинства. К ним относятся: простота аппаратуры, быстрота измерений и неплохая точность результатов анализа. В настоящее время рефрактометрию чаще всего применяют для проверки концентрации технологических растворов, содержащих одно растворенное вещество известной природы. Например, так можно контролировать концентрацию растворов поваренной соли или сахарозы. Более важно применение рефрактометра в качестве универсального детектора в жидкостной хроматографии (см. раздел 7.7).
6.4.2. Рентгеновская спектрометрия
Метод основан на изучении спектров рентгеновского излучения, т. е. электромагнитного излучения в области длин волн 0,01–10 нм. Такое излучение может быть получено при облучении пробы потоком электронов высоких энергий (рентгеноэмиссионные методы). Можно направить на пробу излучение от внешнего источника, и оно будет селективно поглощаться атомами определенных элементов (рентгеноабсорбционные методы). Кроме того, при поглощении рентгеновского излучения проба может испускать вторичные кванты меньшей энергии (рентгенофлуоресцентные методы). В отличие от рассмотренных в разделе 6.2 методов, в которых возникновение атомных спектров в оптическом диапазоне объяснялось энергетическими переходами валентных электронов, рентгеновские спектры связаны с переходами электронов внутренних слоев.
В химическом анализе рентгеновские лучи начал применять Генри Мозли. Молодому английскому ученому в 1913 г. удалось установить закон, связывающий частоту спектральных линий, соответствующих рентгенов-
скому излучению элемента, с порядковым номером этого элемента в Периодической таблице элементов Менделеева. Мозли понял, что, используя характеристические линии элементов, можно проводить химический анализ. Как указывал Мозли, преимущества такого способа перед обычными спектроскопическими методами заключаются в простоте спектра и невозможности одного вещества маскировать излучение другого. Новый метод может даже привести к открытию пропущенных элементов, поскольку будет нетрудно предсказать положение их характеристических линий! Вскоре новый метод был успешно применен для количественного анализа смеси редкоземельных элементов. А позднее по «предсказанным» линиям в спектрах рентгеновского излучения были обнаружены новые элементы – гафний и рений.
В 60-е гг. XX века рентгеноспектральные методы нашли широкое применение при анализе сплавов, руд, минералов, строительных материалов, биообъектов и т. п. С их помощью довольно точно определяют как макрокомпоненты (на уровне нескольких десятков процентов), так и микропримеси, вплоть до 10–3 – 10–2 %. Важным преимуществом рентгеноспектральных методов является их недеструктивный характер, с их помощью можно, например, анализировать краски на уникальной картине. Эти же методы используют для локального анализа полупроводников (так называемый метод электронного зонда).
Спектрометры, используемые в рентгеноспектральном анализе, включают источник излучения, диспергирующее устройство и детектор. В качестве источника применяют рентгеновские трубки, гелиевые разрядные лампы или электронную пушку. Диспергирующим устройством, аналогичным дифракционной решетке в обычной спектроскопии, является кристалланализатор. Это могут быть кристаллы кварца, кальцита, слюды, каменной соли и некоторых других веществ. Приемником излучения, т. е. детектором, служат фотоматериалы (в рентгеновских спектрографах) или счетчики рентгеновских квантов (в спектрометрах).
Существуют разные способы количественного анализа веществ по интенсивности рентгеновского излучения. Например, в рентгенофлуоресцентных методах (РФл) аналитическим сигналом является интенсивность вторичного излучения пробы на определенных частотах. Приборы для измерения рентгеновской флуоресценции могут быть одноканальными, предназначенными для экспрессного определения одного элемента (особенно серы в нефтепродуктах). Применяют и универсальные многоканальные РФлспектрометры. Их заранее настраивают и градуируют по стандартным образцам так, чтобы каждый канал соответствовал аналитической длине волны какого-либо элемента. Обработку одновременно регистрируемых сигналов производит компьютер. Пользователь получает готовую таблицу, в которой указаны содержания интересующих его элементов. Важно, что на результат анализа по методу РФл почти не влияют степень окисления и «химическое окружение» определяемого элемента. Однако созданы и такие методы рент-
геноспектрального анализа, в которых раздельно регистрируются аналитические сигналы различных фаз, даже если они образованы одними и теми же элементами (рентгенофазовый анализ).
6.4.3. Масс-спектрометрия
Масс-спектрометрический метод основан на ионизации атомов и молекул вещества и разделении смеси образовавшихся ионов в соответствии с их массовым числом – отношением массы иона (m) к его заряду (z). Массспектр смеси ионов представляет собой совокупность сигналов (линий) с разными значениями m/z (рис. 6.31). Интенсивности сигналов различны, поскольку они пропорциональны содержанию соответствующих ионов в разделяемой смеси. При неизменных условиях ионизации состав смеси ионов определяется составом исходной пробы. Поэтому положение линий в масс-спектре и их относительная интенсивность позволяют проводить качественный анализ пробы, а по абсолютной интенсивности некоторых линий можно определять содержания компонентов пробы.
Рис. 6.31. Эталонный масс-спектр и структурная формула 3,5-дихлорфенола
Первый масс-спектрометр был создан в 1919 г. английским физиком Ф.Астоном под руководством Дж. Томсона1. Метод сразу же позволил обнаружить изотопы элементов и исследовать относительную распространенность разных изотопов. Так, в масс-спектре атомарного хлора наблюдали две линии – с массовыми числами 35 и 37, принадлежащие двум однозарядным ионам. Интенсивность первой линии была значительно выше, в соответствии с относительной распространенностью изотопов Cl35 и Cl37. Вид масс-спектра хорошо согласуется с усредненной величиной атомной массы хлора – 35,475. Сегодня масс-спектрометрия является основным методом изотопного анализа. Этот метод весьма важен для атомной энергетики, где
1 За создание масс-спектрометрии и открытие с ее помощью изотопов Астон получил Нобелевскую премию.
при подготовке и переработке ядерного «топлива» надо контролировать разделение изотопов урана. Интересным применением масс-спектрометрии стало определение возраста археологических находок (геохронология). Например, после того, как дерево срубили, соотношение изотопов С12 и С13, характерное для живых организмов, постепенно меняется. Определив с помощью масс-спектрометра соотношение этих изотопов в некотором изделии из дерева, можно рассчитать, сколько лет прошло после гибели дерева, а следовательно, время изготовления исследуемого предмета. Сходный метод позволяет определять возраст горных пород, в этом случае изучают соотношения других изотопов.
Масс-спектрометрия оказалась очень чувствительным методом количественного элементного анализа. Некоторые варианты этого метода, например искровая масс-спектрометрия, позволяют определять до 10–12 г элемента, анализировать состав поверхностного слоя твердых материалов, проводить локальный анализ таких материалов. Другие варианты метода позволяют контролировать элементный анализ объектов окружающей среды или изучать состав атмосферы других планет.
Следует помнить, что масс-спектрометры являются весьма сложными и дорогостоящими аналитическими приборами, работать на таких приборах могут только высококвалифицированные специалисты. Масс-спектрометрию применяют в тех случаях, когда аналитическую задачу нельзя решить более простыми средствами (например, с помощью фотометрического или потенциометрического анализа).
Как же работает масс-спектрометр? Основными узлами этого прибора являются: насосы, обеспечивающие глубокий вакуум; блок ввода пробы (система напуска), система ионизации, разделительное устройство (массанализатор) и детектор (устройство для записи масс-спектров). В современных приборах есть и компьютерная система обработки полученных спектров, включающая необходимую базу данных. Система напуска дозирует количество вводимой пробы таким образом, чтобы не нарушить вакуум внутри прибора. Проба вводится в газообразном состоянии. В случае, если анализируемая проба – жидкость или твердое вещество, ее испаряют. Для ионизации используют один из нескольких возможных способов – электронный удар, искровой разряд, лазерное излучение, химическую ионизацию, бомбардировку потоком быстрых атомов и другие. Образующиеся ионы выводятся из зоны ионизации, ускоряются, фокусируются в пучок и в таком виде попадают в масс-анализатор, где происходит их разделение в мощном электромагнитном поле. Ионы с различными массовыми числами движутся в этом поле по разным траекториям и раздельно попадают на детектор, который преобразует ионные токи в электрические сигналы. Многократно усиленные сигналы измеряются и сохраняются в памяти компьютера.
Еще в 30-е гг. XX века масс-спектрометрический метод стали применять для молекулярного анализа органических веществ. Было установлено,
что в масс-спектре индивидуального органического соединения обычно можно найти интенсивную линию, соответствующую однозарядному молекулярному иону. Например, в спектре метана – линию с массовым числом 16, этанола – 46, любого дихлорфенола – 162. По линии молекулярного иона можно определить молярную массу неизвестного соединения и установить его брутто-формулу. Проверяя наличие линии молекулярного иона, можно судить о присутствии некоторого соединения в сложной смеси.
Важным открытием стало то, что в неизменных условиях ионизации молекула органического вещества дает один и тот же набор осколочных ионов, один и тот же масс-спектр. Причем разные изомеры одного и того же вещества дают разные масс-спектры.
Масс-спектрометрия органических веществ является по своей сути не чисто физическим, а физико-химическим методом анализа, так как важнейшую роль при формировании масс-спектра играют химические реакции фрагментации (деструкции молекул в ходе их ионизации и последующей перегруппировки осколков). Правда, правила фрагментации молекул при электронном ударе и других способах ионизации еще не до конца изучены. Рассчитать масс-спектр соединения по структуре молекулы или, наоборот, установить структуру молекулы по ее масс-спектру (с учетом условий ионизации) можно далеко не всегда. Однако любое известное вещество можно идентифицировать по его масс-спектру, используя компьютерные базы данных. Такие базы данных содержат сотни тысяч эталонных масс-спектров разных веществ, снятых в одних и тех же условиях, т. е. с применением стандартного режима ионизации.
Метод масс-спектрометрии стали использовать в 60-е гг. и для анализа сложных смесей, например нефтепродуктов. Такую смесь сначала хроматографируют, а потом снимают масс-спектры каждого компонента в момент его выхода из хроматографической колонки. Конструктивно этот вариант анализа можно реализовать в рамках единого прибора (хромато-масс- спектрометра). В конце XX века масс-спектрометрию удалось использовать и для исследования состава биополимеров, например, белков и ДНК. Именно таким способом в 2000 г. была установлена тонкая структура (последовательность разных нуклеотидов) одного из генов человека.
Контрольные вопросы
1.Что общего у разных электрохимических методов анализа и в чем принципиальные отличия каждого из этих методов?
2.Составьте, не заглядывая учебники, таблицу, в которой будут наглядно сопоставлены преимущества и ограничения различных электрохимических методов.
3.Какие ионы обычно определяют и какие объекты анализируют потенциометрическим методом?
4.Как можно было бы проверить в эксперименте, соответствует или не соответствует уравнению Нернста поведение некоторого металлического электрода в растворе его соли?
5.Как бы Вы определили потенциометрическим методом содержание ионов натрия в плазме крови? Какое бы потребовалось оборудование, реактивы, какие операции и в какой последовательности пришлось бы проводить? Можно ли таким способом определять ионы натрия на уровне 1 мкг/л? 1 мг/л? 1 г/л? Насколько точные результаты можно было бы получить с помощью предложенной методики?
6.Начертите и объясните вид вольтамперной кривой для процесса восстановления ионов цинка на ртутном капающем электроде. Как изменится вид этой кривой, если в растворе содержание цинка станет вдвое больше? Если в том же растворе появятся ионы серебра (в той же концентрации, что и ионы цинка)? Если ввести в раствор ионы калия? Если ввести избыток ЭДТА?
7.Необходимо определить электрогравиметрическим методом содержание серебра в его сплаве с медью. Можно ли раздельно определить содержание каждого из этих металлов, осаждая их на платиновом катоде после растворения сплава в азотной кислоте? Если да, то какое напряжение надо накладывать на электроды для выделения серебра и какое – для выделения меди?
8.Что такое спектр излучения и как его можно зарегистрировать? Какой вид имеют спектры излучения веществ после их испарения и атомизации? Какая информация, важная для определения химического состава пробы, содержится в таком спектре?
9.Составьте, не заглядывая в учебники, таблицу, в которой будут сопоставлены преимущества и ограничения разных вариантов атомноэмиссионного спектрального анализа (по способам возбуждения)?
10.Как, получив спектр некоторой пробы (дуговое возбуждение), проверить, содержится ли в этой пробе селен? Перечислите операции, которые придется выполнить, чтобы получить ответ. Можно ли тем же методом установить, содержался ли в пробе свободный селен или соединение селена(IV)?
11.Почему в атомно-эмиссионном спектральном анализе градуировочные графики в координатах I – C обычно искривлены и плохо воспро-
