Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Естественнонаучные методы судебно-экспертных исследований. Учебное пособие
.pdf
Наиболее широко на практике применяется микроскопия в видимой
23
области спектра. Структуру лекарственного средства, наблюдаемую в
микроскоп, можно увидеть только в том случае, если разные частицы
лекарственного средства отличаются друг от друга и от окружающей среды с
точки зрения поглощения (отражения) света или показателя преломления. Эти
свойства определяют различие фаз и амплитуд световых колебаний,
прошедших через разные части препарата, то есть контраст изображения.
Однако существуют объекты и задачи исследования, которые невозможно
решить традиционными методами, поэтому были разработаны специальные
методы. Техническая и методическая реализация этих методов очень сложна
и требует специальных знаний и навыков. Давайте рассмотрим некоторые
специальные методы микроскопического исследования.
Метод светлого поля в проходящем свете, используемый для
исследования прозрачных объектов с включениями, характеризуется
прохождением лучей из конденсора через препарат в линзу, что дает
равномерно освещенное поле в плоскости изображения. Элементы структуры
лекарства частично поглощают и отклоняют падающий на них свет, что,
согласно теории Аббе, вызывает появление изображения. Этот метод также
может быть полезен для непоглощающих объектов, но только если они
отклоняют или рассеивают освещающий луч света настолько сильно, что
значительная часть луча не попадает в линзу.
Метод темного поля в проходящем свете используется для получения
изображений прозрачных, непоглощающих и, следовательно, невидимых
объектов при наблюдении в светлом поле. Луч лучей из конденсатора темного
поля выходит в виде полого конуса и не попадает напрямую в линзу. В поле
зрения микроскопа светлые изображения мелких деталей видны на темном
фоне, в то время как большие части демонстрируют только светлые края,
которые рассеивают освещающие лучи. Изображение создается только
светом, который рассеивается мелкозернистыми элементами препарата.
По такому изображению нельзя с полной определенностью делать
заключение об истинном виде и форме элементов структуры. Конденсор
темного поля требует применения предметного стекла, толщина которого не
превышает 1,2 мм. Кроме того, конденсор должен быть хорошо центрирован
относительно объектива23.
Наиболее часто методы светлого и темного поля в проходящем свете
используются в экспертном исследовании текстильных волокон,
Криминалистическое исследование материалов, веществ и изделий : учебное пособие / Э.В. Сысоев, А.В.
Селезнев, Е.В. Бурцева, И.П. Рак. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. -84 с.
40
наркотических средств, частиц стекла и пластмасс, минеральных компонентов
почвы и пр.
При методе светлого поля в отраженном свете освещение препарата
производится сверху через объектив, который одновременно выполняет роль
конденсора. Изображение, как и при проходящем свете, создается за счет того,
что различные участки препарата по-разному отклоняют и отражают
падающий на них свет.
К методу светлого поля относится и так называемый метод косого
освещения. Он осуществляется путем смещения апертурной диафрагмы в
направлении, перпендикулярном к оптической оси. В этом случае при
соответствующем диафрагмировании можно создать боковое освещение
препарата, благодаря чему изображение становится более контрастным.
При предельно возможном косом освещении, как говорилось выше,
достигается наибольшая разрешающая способность микроскопа в
направлении смещения диафрагмы. Если сместить апертурную диафрагму
еще дальше так, чтобы свет, направляемый на препарат, не попадал в
объектив, то метод косого освещения превращается в метод темного поля.
Данный метод используется для изучения широкого круга
вещественных доказательств: изделий из металлов и сплавов, лакокрасочных
покрытий, текстильных волокон, материалов документов и пр.
Метод темного поля в отраженном свете осуществляется путем
освещения препарата, например, шлифа металла, сверху с помощью
специальной кольцевой зеркальной системы, расположенной вокруг
объектива и называемой эпиконденсором. Изображение же, как и при
проходящем свете, создается только лучами, рассеянными объектом, тогда как
лучи света, вышедшие из эпиконденсора и зеркально отразившиеся от
поверхности объекта, в объектив не попадают. Поэтому для работы
необходимо применять очень яркие источники света.
Метод фазового контраста имеет большое практическое значение, так
как дает возможность получать контрастные изображения прозрачных и
бесцветных объектов, почти не видимых при обычных методах микроскопии.
К числу таких объектов относятся, например, осколки стекла,
минералогические объекты. Метод основан на том, что даже при малом
различии показателей преломления объекта и среды световая волна,
прошедшая сквозь них, претерпевает разные изменения по фазе и приобретает
фазовый рельеф. Темные и светлые места в фазово-контрастном изображении
соответствуют различным показателям преломления в препарате (фазовый
контраст), который с помощью специального электронного оптического
устройства преобразуется в ослабление или усиление интенсивности света,
41
прошедшего сквозь объект (т.е. фазовый рельеф волны заменяется
24
25
амплитудным рельефом). Так получается видимое изображение препарата.
§ 3.4. Атомно-эмиссионный спектральный анализ
Атомно-эмиссионный спектральный анализ – наиболее широко
используемый метод определения содержания элементов в самых разных
природных и искусственных материалах. Его можно использовать для анализа
твердых, жидких и газообразных веществ практически на все химические
элементы, от щелочноземельных металлов до инертных газов.
Многоэлементный характер метода, а также относительно низкие пределы
обнаружения элементов в сочетании с относительно низкой стоимостью
анализа и простотой реализации делают его крайне необходимым для любой
аналитической лаборатории, которая заявляет, что выполняет широкий спектр
аналитических исследований.
Эмиссионный спектр пробы, возбуждаемый в источнике света,
регистрируется с помощью спектрографа, спектроскопа или спектрометра
(монохроматор или полихроматор). В связи с этим все способы проведения
атомно-эмиссионного спектрального анализа можно разделить на три группы:
спектрографические, визуальные и спектрометрические (с фотоэлектрической
регистрацией спектра). В методическом отношении в каждой из указанных
групп имеется своя специфика, связанная со способом регистрации
аналитического сигнала и получением информации о наличии и содержании
определяемых элементов в анализируемых пробах. Наряду с этим некоторые
методические приемы, разработанные для одной группы методов, могут быть
успешно применены и для другой группы с несущественными
модификациями, учитывающими специфику регистрации спектра24.
Регистрация спектра атомного излучения образца позволяет получить
очень большой объем информации об элементном составе анализируемого
объекта. Однако извлечение всей информации, содержащейся в
сфотографированном спектре, часто не является задачей анализа. Достаточно
иметь информацию, например, о качественном элементном составе пробы или
о количественном содержании в ней определенных элементов. В соответствии
с этим спектрографический анализ делится на два типа: качественный и
количественный25.
Спектральные методы анализа. Практическое руководство : учебное пособие / В. И. Васильева, О. Ф.
Стоянова, И. В. Шкутина, С. И. Карпов ; под редакцией В. Ф. Селеменева, В. Н. Семенова. — Санкт-Петербург
: Лань, 2014. — 416 с.
Атомно-эмиссионный спектральный анализ URL: http://activespectr.com/articles/atomno-emissionnyy-
spektralnyy-analiz (дата обращения 01.10.2020)
42
При проведении качественного атомно-эмиссионного спектрального
анализа можно выделить три типа задач:
общий качественный анализ, позволяющий определить компонентный
состав пробы;
частный качественный анализ, с помощью которого устанавливается
присутствие или отсутствие одного или нескольких искомых (наперед
заданных) элементов в данной пробе;
качественный анализ следов элементов, позволяющий определить
наличие в малых концентрациях загрязняющих или примесных элементов в
пробе анализируемого материала.
Для проведения качественного атомно-эмиссионного спектрального
анализа чаще всего используется дуговой источник света, в котором
возбуждаются резонансные спектральные линии атомов подавляющего
большинства элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева. Благодаря
тому, что спектр излучения дугового разряда хорошо изучен, опытный
спектроаналитик может определить элементный состав анализируемого
образца и сделать приблизительную оценку содержания в нем отдельных
компонентов на основе плотности почернения образца. спектральные линии,
зарегистрированные на фотопластинке.
Качественный анализ металлов и сплавов проводят с возбуждением
спектра в дуге переменного тока при силе тока 5-10 А. При этом одним из
электродов (обычно нижним) служит анализируемый образец, а другой
электрод изготавливают из угольного, алюминиевого или медного стержня
путем заточки его торца на конус. Если не требуется определять следовые
содержания элементов, то для общего качественного анализа металлических
проб можно применять, наряду с возбуждением в дуге переменного тока, и
искровое возбуждение спектра. В последнем случае в разрядный контур
генератора электрического питания низковольтной искры (U = 1 кВ,
С = 50 мкФ, L = 100 мкГн) включают сопротивление R ≈ 100 Ом, которое
делает разряд затухающим. Спектр такого источника света по характеру
излучения спектральных линий близок к дуговому спектру и поэтому более
удобен для расшифровки и проведения качественного анализа. При анализе
монолитных металлических образцов многоступенчатая съемка не
применяется, поскольку очевидно, что полученные при этом спектры будут
идентичны. Однако обыскривание образца перед экспозицией спектра все же
следует проводить.
Высоковольтная искра (U = 12 кВ, С = 10 мкФ, L = 500 мкГн) также
пригодна для общего качественного анализа металлов и сплавов, когда не
требуется определять элементы с содержанием менее 10–20 %. При этом
43
увеличение индуктивности благоприятно сказывается на обнаружении
элементов с низкими энергиями возбуждения.
Полуколичественный метод спектрографического анализа включает
методы, которые не только определяют присутствие каких-либо элементов в
образце, но и приблизительно определяют их содержание. Важной
особенностью этого метода является скорость его реализации, поэтому он
используется в основном для решения таких аналитических задач, для
которых выразительность анализа важнее его точности.
Методологические основы и ряд методов проведения
полуколичественного анализа были разработаны в 20-30-е годы, т.е. в период
перехода от качественного к количественному спектрографическому анализу.
Полуколичественный анализ, который, по сути, является разновидностью
количественного спектрального анализа, методически основан на
субъективном (визуальном) сравнении интенсивностей спектральных линий
либо в спектре анализируемого образца, либо в спектрах анализируемого и
эталонные образцы.
Задача количественного спектрального анализа – определение
количественного содержания исследуемых элементов в пробе по
относительной интенсивности аналитической пары линий.
Количественный спектральный анализ основан на том, что
интенсивность спектральных линий определяемого элемента связана с его
концентрацией. Однако интенсивность спектральных линий зависит не только
от концентрации анализируемого элемента, но и от ряда других факторов,
учесть которые практически невозможно. В связи с этим изменение
абсолютных интенсивностей спектральных линий представляет собой
сложную задачу, и результаты количественных определений, основанные на
измерении абсолютных интенсивностей спектральных линий, нельзя считать
достаточно надежными. Поэтому на практике количественный спектральный
анализ выполняется путем измерения относительной интенсивности двух
линий: аналитической линии и линии сравнения. Строки элемента,
содержание которого в выборке является постоянным, выбираются в качестве
строк сравнения. Такая пара линий должна удовлетворять условию гомологии,
т.е. их относительная интенсивность должна мало зависеть от условий
возбуждения. Это возможно в случае, если:
обе линии имеют одинаковые или близкие потенциалы возбуждения;
потенциалы ионизации атомов элементов, дающих аналитическую
пару линий, также очень близки.
При этом интенсивности обеих линий не должны резко отличаться друг
от друга.
44
Визуальный метод атомно-эмиссионного спектрального анализа
26
отличается от спектрографического и фотометрического, прежде всего тем,
что наблюдение спектра и измерение в нем относительных интенсивностей
спектральных линий являются субъективными, поскольку непосредственным
приемником излучения является глаз конкретного человека. Видимая область
спектра, используемая в этом методе, примерно от 400 до 760 нм, значительно
ограничивает возможности анализа в отношении пределов обнаружения,
поскольку наиболее чувствительные спектральные линии элементов, за
исключением щелочных и щелочноземельных металлов, расположены в более
коротковолновой области спектра. Тем не менее, визуальный метод анализа
широко используется в спектроаналитической практике, прежде всего,
благодаря его методической простоте, высокой скорости и выразительности
проведения определений, а также низкой стоимости анализа. Наиболее
важным применением метода визуального спектрального анализа является
контроль содержания легирующих и других примесей в металлических
сплавах и сталях во время производства или сортировки. Кроме того, метод
используется для анализа образцов диэлектрических порошков, жидкостей и
растворов и даже газовых смесей.
Для анализа с визуальной регистрацией спектра используются в
основном призматические приборы, называемые спектроскопами, которые
делятся на два типа: стилоскопы и стилометры. Стилометры, в отличие от
стилоскопов, оснащены фотометрическим устройством, позволяющим не
только просматривать спектр исследуемого образца, но и измерять
относительные интенсивности спектральных линий. Кроме того, оптическая
схема стилометра создает два идентичных спектра в поле зрения наблюдателя
от одного и того же источника света, которые можно сдвигать относительно
друг друга и тем самым устанавливать аналитическую линию и линию
сравнения рядом друг с другом.
§ 3.5. Абсорбционная спектроскопия
Абсорбционная спектроскопия изучает спектры поглощения
электромагнитного излучения атомами и молекулами вещества в различных
агрегатных состояниях. Интенсивность светового потока при его
прохождении через исследуемую среду уменьшается вследствие превращения
энергии излучения в различные формы внутренней энергии вещества и (или)
в энергию вторичного излучения26.
Нанобиотехнологии [Электронный ресурс]: практикум/под ред. А.Б. Рубина. - 2-е изд. (эл.). - М.: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2013. - 384 с
45
Поглощательная способность вещества зависит главным образом от
электронного строения атомов и молекул, а также от длины волны и
поляризации падающего света, толщины слоя, концентрации вещества,
температуры, наличия электрических и магнитных полей. Для измерения
поглощательной способности используют спектрофотометры – оптические
приборы, состоящие из источника света, камеры для образцов, монохроматора
и детектора. Сигнал от детектора регистрируется в виде непрерывной кривой
(спектра поглощения) или в виде таблиц, если спектрофотометр имеет
встроенную ЭВМ.
Применение абсорбционной спектроскопии основано на законе БугераЛамберта-Бера.
Закон Бугера-Ламберта-Бера определяет ослабление интенсивности
пучка монохроматического света при его прохождении через поглощающую
среду (часто называют законом Бугера). Пучок света интенсивностью I0 при
прохождении через слой поглощающего вещества толщиной l ослабляется до
интенсивности
I=I
exp(−k
0
l),
λ
kλ – показатель поглощения, различный для разных длин волн. Закон
экспериментально установлен в 1729 г П. Бугером, в 1760 г. теоретически
обоснован И.Г. Ламбертом при простых предположениях: относительное
изменение интенсивности света dI/I при прохождении слоя вещества
толщиной z определяется уравнением dI/I=−kλz.
Физический смысл закона заключается в независимости поглощения
(потери фотонов) от интенсивности света, проходящего через вещество.
Однако при очень больших интенсивностях света (сфокусированное
импульсное излучение лазера) закон может нарушаться, kλ становится
зависящим от интенсивности.
Для растворов веществ, поглощающих свет, в непоглощающих
растворителях закон обобщён немецким учёным А. Бером в 1852 г.
Показатель поглощения для растворов может быть записан в виде:
kλ=ϰλC,
где C – концентрация растворённого вещества,
ϰλ – показатель поглощения раствора единичной концентрации,
характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего вещества со
светом длины волны λ и не зависящий от концентрации.
Соотношением Бера можно пользоваться, измеряя поглощение, для
быстрого определения концентрации веществ, химического анализ которых
оказывается сложным. Однако при значительном увеличении концентрации
поглощающего вещества наблюдаются отступления от этого соотношения.
46
27
§ 3.6. Молекулярный спектральный анализ. ИК-спектроскопия
Инфракрасная спектроскопия — раздел спектроскопии, охватывающий
длинноволновую область спектра (730 нм за красной границей видимого
света). Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного
(отчасти вращательного) движения молекул, а именно — в результате
переходов между колебательными уровнями основного электронного
состояния молекул. Инфракрасное излучение поглощают многие газы, за
исключением таких как О2, N2, H2, Cl2 и одноатомных газов. Поглощение
происходит на длине волны, характерной для каждого определенного газа, для
СО, например, таковой является длина волны 4,7 мкм.
По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение
молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно
короткими молекулами: антибиотиков, ферментов, алкалоидов, полимеров,
комплексных соединений и др. Колебательные спектры молекул различных
органических (и неорганических) веществ с относительно длинными
молекулами (белки, жиры, углеводы, ДНК, РНК и др.) находятся в
терагерцовом диапазоне, поэтому строение этих молекул можно установить с
помощью радиочастотных спектрометров терагерцового диапазона. По числу
и положению пиков в ИК спектрах поглощения можно судить о природе
вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос поглощения – о
количестве вещества (количественный анализ). Основные приборы –
различного типа инфракрасные спектрометры27.
В настоящее время все ИК-спектрометры по принципу получения
спектра можно разделить на две группы: диспергирующие и
недиспергирующие. В диспергирующих спектрометрах используются призмы
или дифракционные решетки. К группе недиспергирующих относятся
приборы, в основе которых лежит Фурье-преобразование. Принцип действия
Фурье-спектрометров основан на явлении интерференции электромагнитного
излучения.
Описание ИК-спектрометра
Конструктивно спектрометр выполнен в виде подключаемого к
персональному компьютеру настольного прибора, работающего под
управлением программного комплекса. Основным узлом спектрометра
является интерферометр типа «двойной кошачий глаз», в котором при
движении светоделителя происходит изменение разности хода между
Методические рекомендации: «Организация работы судебно-экспертных учреждений федеральной
противопожарной службы «Испытательная пожарная лаборатория» по исследованию пожаров и
экспертному сопровождению деятельности органов государственного пожарного надзора», Москва, 2009.
47
интерферирующими лучами. На выходе интерферометра, регистрируется
28
29
интерферограмма, которая представляет собой Фурье-образ регистрируемого
оптического спектра.
Интерферограмма регистрируется в виде конечного числа значений
сигнала, снимаемых с фотоприемника, преобразуемых аналого-цифровым
преобразователем в цифровой код.
Аналого-цифровое преобразование осуществляется через равные
интервалы оптической разности хода. Опорная шкала разности хода
формируется в опорном канале, состоящем из гелий-неонового лазера,
оптического тракта интерферометра, совмещенного с трактом инфракрасного
излучения, фотоприемника и формирователя импульсов, управляющих
аналогово-цифрового преобразователя. Из управляющих аналоговоцифрового преобразователя цифровой код поступает в системный
регистрирующий порт. Спектр излучения в шкале волновых чисел получается
после выполнения обратного преобразования Фурье, осуществляемого над
оцифрованной интерферограммой в персональном компьютере. Процессом
первичного сбора измерительной информации управляет встроенный в
спектрометр микроконтроллер. Персональный компьютер, к которому
подключается спектрометр, осуществляет управление режимами работы
спектрометра, чтение измерительной информации из буферной памяти
спектрометра, ее математическую обработку и осуществляет вывод
результатов двух измерений.
Принцип работы ИК-спектрометра28.
Метод ИК-спектроскопии основан на том, что при облучении вещества
немонохроматическим инфракрасным излучением происходит возбуждение
колебательных и электронных степеней свободы и из-за этого происходит
поглощение падающего излучения на частотах, соответствующих разнице
энергий колебательных и электронных уровней. В спектре пропускания либо
отражения облучаемого образца появляются особенности, позволяющие
судить о характерных частотах колебаний молекул, кристалла и их
электронных свойствах. Спектральные характеристики (положения
максимумов полос, их полуширина, интенсивность) зависят от масс
составляющих вещество атомов, геометрического строения, особенностей
межатомных сил, распределения заряда и др29.
Методические рекомендации: «Организация работы судебно-экспертных учреждений федеральной
противопожарной службы «Испытательная пожарная лаборатория» по исследованию пожаров и
экспертному сопровождению деятельности органов государственного пожарного надзора», Москва, 2009.
Каныгина, О.Н. Физические методы исследования веществ [Электронный ресурс] : учеб. пособие для
студентов, обучающихся по программам высш. проф. образования по специальности 020201.65
Фундаментальная и прикладная химия и направлению подготовки 011200.62 Физика / А.Г. Четверикова, В.Л.
48
Многократно нарушенное полное внутреннее отражение
В методике МНПВО (многократно нарушенное полное внутреннее
отражение) ИК-излучение направляется в кристалл, имеющий относительно
высокий показатель преломления. Часть ИК-излучения отражается от
внутренней поверхности кристалла, а часть порождает затухающую волну в
образце, находящемся в тесном контакте с кристаллом. Таким образом, часть
энергии поглощается образцом, а отраженная часть излучения возвращается
на детектор.
В настоящее время для получения ИК-спектров используют Фурье-
спектрометры, принцип работы которых основан на явлении интерференции
двух лучей света, которые проходят разный оптический путь. При этом
разность хода можно менять. Зависимость интенсивности результирующего
излучения от разности хода лучей - интерферограмма - содержит информацию
о спектральном составе света. Для ее извлечения требуется провести
математическое действие - преобразование Фурье. Преимущество Фурьеспектроскопии - малое соотношение сигнал/шум, уменьшение потерь света,
большая скорость регистрации спектров. Оптическая схема прибора
приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. – Оптическая схема работы инфракрасного спектрометра-Фурье
спектрометра «Инфралюм» ФТ-08.
Источник света 1 излучает свет в ИК диапазоне, входной оптический
узел 2 направляет свет в интерферометр 3, интерферометр типа «двойной
Бердинский, Оренбургский гос. ун- т, О.Н. Каныгина .— Оренбург : ОГУ, 2014 .— 141 с. : ил. — Режим доступа:
https://lib.rucont.ru/efd/304016
49
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]