Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследования качества продуктов питания. Учебное пособие
.pdf
полосы поглощения. Поэтому обычно измерения проводят на
максимуме поглощения.
Молярный коэффициент поглощения, определяющий
предел обнаружения вещества, равен тангенсу угла наклона
градуировочной прямой к оси абсцисс. Чем больше наклон
градуировочного графика к оси концентраций, тем более
чувствительным является данный фотометрический метод.
Теоретическое максимальное значение молярного
коэффициента поглощения составляет порядка 105. Полагая l =
1 см и A
= 0,01, получим С
мин
= 0,01/(105) = 10-7 моль/л. Если
мин
необходимо еще более понизить предел обнаружения, можно
увеличить толщину поглощающего слоя или сконцентрировать
вещество. Спектрофотометрический метод относится к
среднечувствительным.
Закон Бугера—Ламберта—Бера строго справедлив лишь
по отношению к разбавленным растворам и при соблюдении
определенных условий. Применительно к аналитическим целям
условия таковы:
- постоянство состава поглощающих частиц в растворе,
что определяется выбранной аналитической реакцией и
условиями ее проведения;
- монохроматичность проходящего через пробу
лучистого потока, его ограниченная интенсивность и
параллельность;
- постоянство температуры.
Причинами несоблюдения закона Бугера—Ламберта—
Бера могут быть химические и инструментальные факторы.
Химические причины — это участие поглощающего
вещества в реакциях, конкурирующих с аналитической,
изложенной в методике (влияние рН, реакции
комплексообразования, окислительно-восстановительные
взаимодействия, сольватация, диссоциация и др.). Для примера
рассмотрим систему СrО
2-
- Сr2О
4
2-
. В ней существует
7
121
равновесие СrО
A
2-
+ Н2О ↔ Сr2О
4
2-
+ 2Н+. Поскольку эти две
7
формы поглощают электромагнитное излучение в разных
областях, несоблюдение постоянства рН приводит к
нелинейной зависимости отптической плотности от
концентрации определяемого вещества (рис. 4.6).
A
1'
1
2'
C
360 400 λ
2
Рис.4.6. Отклонение от закона Бугера—Ламберта—Бера в
системе хромат-дихромат
Инструментальные факторы, вызывающие отклонение от
закона Бугера—Ламберта—Бера, связаны с недостаточной
монохроматичностью лучистого потока и проявляются чаще
всего при работе на фотоэлектроколориметрах. Это объясняется
тем, что "монохроматизация" в данных приборах достигается с
помощью светофильтров, пропускающих излучение в
определенных интервалах длин волн. При работе с обычными
светофильтрами, пропускающими излучение в достаточно
широком интервале длин волн, результатом измерения является
интегральное поглощение.
Закон аддитивности оптических плотностей. В
соответствии с этим законом поглощение света смесью веществ
при любой длине волны равно сумме поглощений каждым из
122
компонентов смеси при той же длине волны. Для
двухкомпонентной смеси (вещества x и y) оптическая плотность
раствора будет равна
x+y
A
λ
= A
λ
x
+ A
y
x
=
ε
λ
lC
λ
x
+
y
ε
lC
(4.9)
λ
y
По этой причине спектрофотометрические измерения
проводят с использованием растворов сравнения, содержащих
все компоненты анализируемых сред за исключением
определяемого вещества.
Спектрофотометрические и фотометрические
определения
В зависимости от используемой для определения
поглощения в УФ и видимой областях спектра аппаратуры
различают фотометрический и спектрофотометрический анализ.
Оба эти метода основаны на общем фотометрическом принципе
измерения поглощения, но в первом методе измеряется
поглощение полихроматического излучения, во втором —
монохроматического.
Спектрофотометрический метод дает возможность
определять вещества по их поглощению в широком диапазоне
длин волн, от 190 до 1100 нм, с достижением малого предела
определения (10-7 моль/л), проводить анализ многокомпонентных смесей, изучать химическое равновесие в
растворах с целью нахождения констант ионизации,
устойчивости, гидролиза и других процессов. Приборы,
используемые в спектрофотометрическом методе, называются
спектрофотометрами. В них для монохроматизации света
используют призмы или чаще всего дифракционные решетки
(рис. 4.7).
123
Дифракционная
Монохроматор
Зеркало
Раствор сравнения
Щель
решетка
Программируемая щель
Анализируемый раствор
Дейтериевая лампа
Детектор
Рис.4.7. Традиционная оптическая система
спектрофотометра с изменяемой длиной волны
В современных приборах используется диодно-матричная
система детектирования аналитического сигнала. Вместо
фотоэлементов такой детектор содержит несколько сот
фотодиодов (рис. 4.8).
В фотометрическом методе используются приборы,
называемые фотоэлектроколориметрами. Для монохроматизации (выделения узкого пучка) света используется
простейшее устройство – светофильтр. Этот метод используется
только для окрашенных соединений (поглощающих свет в
видимой области спектра) и только для количественного
анализа. Для соблюдения закона Бугера-Ламберта-Бера
измерения проводят при длине волны, соответствующей
124
максимуму широкой полосы поглощения, с использованием
Лампа
Дейтериевая
лампа
Линза
Линза
Стандартная
кювета
Програмируемая
Дифракционная
узкополосного светофильра.
накаливания с
вольфрамовой
нитью
Фильтр из окиси гольдмия
проточная
щель
Диодная матрица
ркешетка
Рис. 4.8. Оптическая схема абсорбционного
спектрофотометра с диодно-матричным детектором
Определение содержания вещества спектрофотометрическим методом можно проводить как непосредственно,
так и с использованием специальных фотометрических
реагентов. В УФ-области можно непосредственно определять
ароматические соединения, например, содержание бензола в
воде. В видимой области можно определять различные
125
красители или окрашенные неорганические ионы – оранжевый
Сr2О
2-
, фиолетовый МnО
7
-
.
4
Если определяемое вещество не обладает собственным
поглощением в УФ или видимой области, то центральное место
в спектрофотометрическом анализе приобретает химическая
аналитическая реакция с образованием, как правило,
окрашенных соединений. Цветная реакция должна протекать
избирательно, быстро, полностью и воспроизводимо. Окраска
образующейся аналитической формы должна быть устойчивой
во времени и к действию света. Поглощение раствора, дающее
информацию о концентрации поглощающего вещества, должно
подчиняться закону Бугера—Ламберта—Бера.
В органическом анализе чаще применяют реакции
образования окрашенных соединений, которыми могут быть
азосоединения, полиметиновые и хинониминовые красители,
ациформы нитросоединений и др.
Поглощение аналитической формы измеряют при
оптимальной длине волны, если работают на спектрофотометре,
или в оптимальном интервале длин волн при работе на
фотоэлектроколориметре с применением светофильтра. При
выборе оптимальной длины волны ориентируются на
наибольшее различие в поглощении аналитической формы и
исходных реагентов (рис.4.9). При этом необходимо учитывать
в их спектрах число максимумов поглощения, их высоту, форму
контура полосы поглощения, чувствительность фотометриического прибора в данной спектральной области.
Разность между максимумами полос поглощения
аналитической формы и исходного реагента в фотометрическом
анализе называют контрастностью цветной реакции. Чем
больше контрастность, тем удобнее данная реакция для
фотометрии.
126
Рис.4.9. Принцип выбора оптимальной длины волны при
фотометрическом определении: 1 — поглощение исходного
реагента; 2 — поглощение аналитической формы
4.2.2.Инфракрасная (ИК) спектроскопия
Энергия инфракрасной области электромагнитного
излучения невелика и недостаточна для электронных переходов.
Спектры поглощения, снятые в инфракрасной области, имеют
много характеристических достаточно узких полос поглощения,
соответствующих колебательным и вращательным переходам
групп атомов в молекуле исследуемого соединения.
В ИК-области для характеристики энергии фотонов часто
используют величину, называемую волновым числом:
ν = 1/λ (4.10)
Волновое число представляет собой число длин волн,
укладывающихся на отрезке 1 см. Ее размерность – см-1. ИКспектры представляют собой зависимость величины
пропускания от волнового числа. Они возникают за счет
вращательных и колебательных переходов (ри.4.10).
127
Рис.4.10. Схема вращательных и вращательно-колебательных
переходов линейной молекулы
В аналитической практике выводы из ИК- спектров делают
на основании полуэмпирических исследований колебаний
фрагментов молекул, рассматривая колебательное движение
атомов в молекуле с точки зрения классической физики.
Сложное колебательное движение принимают равным сумме
колебаний отдельных атомов в молекуле или группе
(используют принцип наложения ряда гармонических
осцилляторов). Это допустимо в том случае, если составляющие
амплитуды не слишком велики. Такие наиболее простые
колебания называют нормальными.
Полная энергия колебаний многоатомной молекулы E
(v0 ..., vn) принимается равной сумме энергий нормальных
колебаний.
Число возможных нормальных колебаний соответствует
числу колебательных степеней свободы в системе из n атомов.
При этом не все колебания оказываются активными в ИК
128
спектрах. В них проявляются лишь те колебания, которые
сопровождаются изменением дипольного момента молекулы,
поскольку только в этом случае они могут возбуждаться
электромагнитным полем поглощаемого излучения.
Нормальные колебания атомов в молекулах подразделяют
на два типа - валентные и деформационные.
Валентные колебания возникают вследствие изменения
межатомного расстояния в направлении химической связи
между атомами, то есть за счет изменения межъядерного
расстояния.
Деформационные колебания связаны с изменением
величины валентных углов. Каждый из указанных типов
колебаний может осуществляться в симметричном и
несимметричном вариантах. Простейшей иллюстрацией
являются соответствующие колебания атомов в молекулах Н2О
и СО2 (рис.4.11.).
Многочисленные структурные группы поглощают
излучение вне зависимости от остальных частей молекулы в
очень узкой, строго ограниченной области. Эти частоты,
измеренные в "обратных" см (см-1) называют
характеристическими, или групповыми. В таб. 4.7 приведены
типичные области частот колебаний функциональных групп.
Рис.4.11. Смещения атомов при колебаниях трехатомных
молекул для разных типов колебаний
129
Таблица 4.7. Типичные области частот колебаний
функциональных групп
Функциональная
ν, см-1 Интенсивность
группа
О-Н 3200-3650 Переменная
N-Н 3300-3500 средняя
С-О 1050-1300 сильная
С=О 1690-1760 сильная
NО
2
1300-1370 сильная
Идентификацию исследуемого соединения в ИКспектроскопии выполняют по характеристическим частотам
нескольких групп. Сведения об этих частотах образуют
промежуточный массив данных, приводимых в виде таблиц,
атласов спектров и схем в справочной и периодической
литературе.
4.2.3. Флуоресцентная спектроскопия
Люминесценцией называют испускание фотонов
молекулами, возникающее в результате электронного перехода
при их возвращении из возбужденного состояния в основное. В
зависимости от природы основного и возбужденного состояний
люминесценция разделяется на два типа - флуоресценцию и
фосфоресценцию.
Для четкого понимания сути этих явлений рассмотрим
процесс возбуждения валентных электронов в молекуле. При
рассмотрении электронных переходов в молекуле различают
синглетные (S
состояния. В синглетных состояниях – основном (S
, S1, S2) и триплетные (Т1, Т2) электронные
0
) и
0
возбужденных (S1, S2) – все спины электронов ориентированы
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]