Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследования качества продуктов питания. Учебное пособие
.pdf
4.2 МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
СПЕКТРОСКОПИИ
Методы оптической молекулярной спектроскопии
позволяют наблюдать результаты взаимодействия
электромагнитного излучения оптического диапазона (УФ-,
видимия, ИК- и микроволновая области) с молекулами
исследуемого вещества. Соответствующие аналитические
сигналы содержат информацию о свойствах пробы,
определяемых присутствием поглощающего вещества.
При облучении вещества электромагнитным излучением
кроме процессов поглощения (абсорбции) света наблюдается и
ряд других процессов – отражение, рассеяние, флуоресценция
или фосфоресценция (поглощение с последующим излучением
света), фотохимические реакции (распад связей в молекуле
вещества).
Ослабление интенсивности излучения при прохождении
его через пробу, связанное с рассеиванием какой-либо
дисперсной системой, используется в таких аналитических
методах, как турбодиметрия нефелометрия. Метод, в котором
используется линейное измерение интенсивности
электромагнитного излучения, называется турбодиметрией.
Измерение интенсивности потока, рассеянного дисперсной
системой, можно проводить под углом 900, что и реализуется в
методе нефелометрии.
В некоторых случаях молекулы при поглощении квантов
энергии могут испускать излучение в видимой области спектра.
Интенсивность этого излучения, естественно, также связана с
концентрацией интересующего исследователя вещества в пробе.
Использование такого рода электронных спектров испускания фотолюминесценции для химико-аналитических целей
составляет основу другого метода - флуориметрического.
111
Аналитические методы, основанные на использовании
явления поглощения излучения УФ, видимой и ИК областей
молекулами вещества, составляют базу абсорбционной
молекулярной спектроскопии. Частота поглощаемого излучения
отражает природу вещества, его специфические свойства.
Интенсивность сигнала – А (величина поглощения) зависит от
концентрации поглощающего вещества и, таким образом,
является мерой концентрации определяемого вещества в пробе.
В аналитической оптической молекулярной спектроскопии
наблюдают и исследуют аналитические сигналы в области
100—800 нм, обусловленные электронными переходами
внешних, валентных электронов. Поглощение излучения в ИКи микроволновой области связанно с изменением вращения и
колебания атомов в молекуле и вращением молекулы. С
помощью методов оптической молекулярной спектроскопии
можно решать разнообразные задачи – от исследования
химической структуры молекул до анализа сложных
многокомпонентных смесей, таких, например, как пищевые
продукты.
Используемый для химического анализа диапазон
электромагнитного излучения охватывает интервал его энергий
приблизительно от 100 до 0,01 эВ. Естественно, что процессы,
происходящие при взаимодействии вещества с излучением
этого оптического диапазона, неодинаковы. Сравнительная
характеристика излучений оптического диапазона и
ответственные за возникновение аналитических сигналов
процессы приведена в табл.4.1. В соответствии с этим в
аналитической химии практическое значение получили разделы
оптической молекулярной спектроскопии, каждый из которых
связан с определенным спектральным диапазоном.
112
4.2.1 Абсорбционная молекулярная спектроскопия в УФ и
видимой областях
Как было указано выше, УФ и видимая области
охватывают диапазон электромагнитного излучения от 100 до
800 нм. Область от 100 до 200 нм называется вакуумной УФ
областью и редко используется для решения аналитических
задач (особенно для пищевых продуктов). Человеческий глаз
восприимчив лишь к излучению видимого диапазона (400-800
нм). Окраска различных предметов обусловлена тем, что они
поглощают видимое излучение некоторых длин волн и
отражают (или пропускают, если речь о прозрачных телах)
излучение при всех остальных длинах волн. Поэтому
наблюдаемая окраска представляет собой цвет, дополнительный
к цвету поглощаемого излучения (табл. 4.5).
Таблица 4.5. Дополнительные цвета в видимой области спектра
Поглащаемая длина
волны, нм
Цвет Дополнительный
цвет
400-435 Фиолетовый Желто-зеленый
435-480 Синий Желтый
480-490 Голубой Оранжевый
490-500 Зелено-голубой Красный
500-560 Зеленый Пурпурный
560-580 Желто-зеленый Фиолетовый
580-595 Желтый Синий
595-610 Оранжевый Голубой
610-750 красный Зелено-голубой
113
Электронные переходы и спектры поглощения
Облучение светом является одним из видов
энергетического воздействия на вещество. При поглощении
ЭМИ происходит возрастание энергии молекул и атомов.
Полная энергия молекулы представляет собой сумму энергии
электрона, энергии колебания атомов, входящих в состав
молекулы, энергии ее вращания и кинетической энергий:
Е
общ.
= Е
электр.
+ Е
колеб.
+ Е
вращат.
+ Е
кинет.
Величины электронной, колебательной, вращательной
видов энергии молекулы характеризуются рядом дискретных
(квантованных) значений, соотвествующие определенным
энергетическим уровням или состояниям. По уровням энергии
они располагаются в ряду
Е
электрб
>>>> Е
колеб.
>>>> Е
вращат.
При облучении молекул и атомов ЭМИ УФ и видимой
области им сообщается энергия, достаточная для перехода
валентного электрона с одного энергетического уровня (более
низкого) на другой, более высокий уровень. Частица,
поглотившая квант, примерно через 10-9 с переходит в основное
состояние и вновь оказывается способной поглощать фотоны.
Энергия, выделяющаяся при этом переходе, рассеивается в
окружающей среде в виде тепла.
Однако при возбуждении светом электронных уровней
молекул также происходит возбуждение колебательных и
вращательных уровней энергии. Это приводит к тому, что
колебательные и вращательные энергетические состояния
накладываются на электронные переходы. Из-за взаимного
наложения электронных, колебательных и вращательных
энергетических переходов спектры поглощения оказываются
размытыми (образуются полосы поглощения). При
взаимодействии растворенного вещества с растворителем
происходит еще большее уширение (размывание) спектров
114
поглощения по сравнению со спектрами атомов (рис. 4.4). Таким
S
1S0
E
I
образом, спектры поглощения веществ в ультрафиолетовой и
видимой областях отличаются от спектров поглощения атомов
(они линейчаты) или нагретого тела, представляющего
сплошной спектр. Эти спектры представляет собой зависимость
интенсивности поглощения электромагниного излучения
веществом от длины волны падающего света в виде нескольких
широких полос поглощения.
--
уровни эл ектронной энергии
--
уровни кол ебательной энергии
--
уровни вращательной энергии
S
2
↑↑
↑↑
↑↑↑↑
Эл ектронный переход
λλλλ
Рис. 4.4. Энергетические переходы и спектры поглощения
вещества в ультрафиолетовой и видимой областях: S0 и S1,
S2-основное и возбужденные состояния, соответственно
115
σ
π n
σ→σ
π→π
n→σ
σ
*
разрыхляющая
несвязывающая
разрыхляющая
связывающая
связывающая
Такая специфика электронных спектров ограничивает
количество информации, которую можно использовать для
идентификации веществ. УФ- и видимая спектроскопия однако
широко используются для целей количественного анализа.
Светопоглощение в УФ и видимой областях связано с
возбуждением валентных электронов, находящихся в различных
состояниях: n-, σ-, π- электронов (обычно в органических
соединениях), d-, f-электронов (в ионах металлов), а также с
электронными переходами с переносом заряда. На рис. 4.5
показаны возможные переходы n-, σ-, π- электронов.
π*
энергия
Рис.4.5. Электронные переходы для молекулярных орбиталей с
участием n-, σ-, π- электронов
изменениями энергии. Они наблюдаются в основном в
вакуумной УФ-области (например, для метана при 125 нм) и для
аналитической практики эти переходы представляют
незначительный интерес. n→σ* - Переходы и наблюдаются в
более длинноволновой области по сравнению с σ→σ* переходами. Значение длины волны в максимуме поглощения
зависит от характера связи гетероатома и его
116
*
*
* n→π*
σ→σ* - Переходы связаны с самыми большими
электроотрицательности. Например, для Н2О оно составляет 167
нм, для СН3ОН – 184 нм, а для – СН3NH2 – 215 нм.
n→π*- и π→π*- переходы имеют для аналитической химии
наибольшее значение. Они находятся в более длинноволновой
области и имеют наибольшую интенсивность (вероятность
перехода) по сравнению с переходами всех других типов.
Полосы n→π*-переходов, обусловленные наличием свободных
электронных пар на атомах кислорода, азота и серы, находятся в
более длинноволновой области, чем полосы π→π*- переходов,
однако имеют меньшую интенсивность.
Переходы π - π* свойственны молекулам органических
соединений с сопряженными С=С-связями, когда в результате
делокализации – (обобществления π-электронов) энергия их
возбуждения снижается и становится равной энергии квантов
электромагнитного излучения оптического диапазона. Такие
переходы обусловливают окраску многих органических
соединений, используемых в пищевых продуктах
(азосоединений, полиметиновых, хинониминовых, трифенилметановых красителей).
n→π*- и π→π*- переходы связаны с наличием в молекулах
органических соединений определенных групп атомов,
называемых хромофорами (носителями окраски). Наличие
хромофоров в молекуле приводит батохромному (в
длинноволновую область) сдвигу полосы поглощения и
повышению интенсивности этой полосы (гипохромный
эффект). В настоящее время под хромофорами понимают
ненасыщенные группы, присутствие которых в органической
молекуле обусловливает поглощение квантов излучения в
диапазоне 180—800 нм. В табл. 4.6 приведены примеры
некоторых хромофорных групп.
117
Таблица 4.6. Примеры некоторых хромофорных групп
(n→π*- переходы)
Группа λ, нм
>С=N − 240
>С=О 280
−N =N − 350
>С= S 500
−N =О 660
Положение максимума полосы поглощения, ее
интенсивность зависят от окружения хромофора в исследуемой
молекуле, растворителя, рН и других факторов. Например, для
n→π*-переходов с ростом полярности растворителя
наблюдается гипсохромный (в коротковолновую область), а с
уменьшением полярности – батохромный сдвиг полосы
поглощения. При сопряжении двойных связей наблюдается
батохромный сдвиг, и тем более значительный, чем больше
двойных связей находятся в сопряжении.
Дополнительный батохромный сдвиг возникает при
сопряжении хромофорных групп с электронодонорными или
электроноакцепторными группами. Первые называются
ауксохромами (−СН
, −ОСН3, −NНСН3, −N(СН3)2), вторые –
3
антиауксохромами (−СОО-, −С≡ N, −NО2).
Для аналитической химии особенно важны соединения,
имеющие в своем спектре полосы переноса заряда. Они
возникают при взаимодействии атомов − донора и акцептора
электронов. Такими переходами объясняется интенсивная
окраска молекул органических соединений, когда в них
одновременно входят электронодонорные и электроноакцепторные заместители (пищевые красители). Также
типичными примерами являются комплексы ионов металлов с
органическими реагентами. Для таких полос молярные
118
коэффициенты поглощения достигают более 10000. В связи с
этим комплексы с переносом заряда целесообразно
использовать для фотометрического определения ионов
металлов в пищевых продуктах.
В многоатомных молекулах разрешены переходы между
энергетическими уровнями, которые соответствуют
электронным состояниям с различной симметрией
распределения заряда, и переходы без изменения суммарного
спина системы (синглет-синглетные переходы). Разрешенным
переходам соответствует большая вероятность и, следовательно,
высокая интенсивность поглощения, характеризуемая молярным
коэффициентом поглощения ε. Электронные переходы с
изменением спина (например, синглет-триплетные) запрещены.
Хотя электронные спектры поглощения не столь
характеристичны, как ИК-спектры молекул, они часто
используются для подтверждения правильности автоматической
идентификации соединений в компьютерных библиотеках
спектральных данных.
Основной закон светопоглощения
Метод молекулярной абсорбционной спектроскопии в УФи видимой областях спектра обычно называют
спектрофотометрией. Объектом измерения являются, как
правило, растворы, помещаемые в кювету. Кювета – это сосуд с
плоскими параллельными прозрачными гранями.
Спектрофотометрический метод основан на измерении
поглощения света. Поглощение света измеряют путем сравнения
интенсивностей света, падающего на образец (I
) и прошедшего
0
(I) через него. Однако, потери интенсивности могут быть
вызваны не только поглощением анализируемым веществом, но
и рассеянием, отражением и поглощением материалом кюветы
или растворителем. Потери света за счет этих явлений можно
119
скомпенсировать, проводя измерения относительно раствора
сравнения – кюветы, содержащий только растворитель.
Мерой светопоглощения служат величины, называемые
пропусканим T или оптической плотностью (абсорбцией) А.
Пропускание представляют в виде доли от единицы или в
процентах
T = I/I0 или T(%) = (I/I0) × 100 (4.6)
Оптической плотности соответствует выражение
A = - lgT = lg I0/I (4.7)
Если раствор образца совсем не поглащает света, пропускание
равно 100%, а оптическая плотность – нулю. При полном
поглощении света пропускание равно нулю, а оптическая
плотность – бесконечности.
В большинстве случаев спектральные свойства вещества
оценивают по оптической плотности А, поскольку согласно
закону Бугера-Ламберта-Бера зависимость оптической
плотности и от толщины поглощающего слоя l (см) и
концентрации поглощающего свет вещества C
Aλ =
ε
lC (4.8)
λ
(моль/л) линейна
Эта зависимость изображается в виде градуировочного
графика.
Молярный коэффициент поглощения
εεεε
(л·моль-1·см-1)
λλλλ
является величиной, характеристичной для конкретного
вещества при постоянных условиях измерений (длина волны,
растворитель, температура и другие переменные). Величина
εεεε
отражает вероятность электронных и других энергетических
переходов в исследуемой молекуле и меняется при переходе от
одной длины волны к другой. Следовательно, закона БугераЛамберта-Бера выполняется только для монохроматичного
λλλλ
света. Индекс
при молярном коэффициенте поглощения
указывает на этот факт. Этот эффект особенно выражен в тех
случаях, когда
εεεε
сильно зависит от длины волны, т.е. на краях
λλλλ
λλλλ
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]