ФХМИ.Лекция 5

Лекция 5.

Спектрофотометрический и фотоэлектроколориметрический (ФЭК) методы анализа.

Способность поглощать свет молекулами и ионами в УФ, видимой и ИК областях спектра позволила создать молекулярно-абсорбционный анализ (фотоколориметрию, спектрофотометрию и колориметрию).

1.Спектрофотометрия учитывает поглощение анализируемым веществом света с определенной длиной волны, т.е. поглощение монохроматического излучения.

2. Фотометрия основана на измерении поглощения анализируемым веществом света не строго монохроматического излучения.

3. Колориметрия основана на измерении поглощения света окрашенными растворами в видимой части спектра.

Различают приборы:

1. По способу монохроматизации лучистого потока:

Спектрофотометры (СФ) - приборы с призменным или решеточным монохроматором, обеспечивающим высокую степень монохроматизации рабочего излучения;

Фотоэлектроколориметры (ФЭК) - приборы, в которых монохроматизация достигается с помощью светофильтров.

Монохроматический свет - излучение, в котором все волны имеют одинаковую длину. Для того чтобы добиться «узкополосного» сигнала, излучение от источника, обладающего широким спектром, обычно про­пускают через монохроматор.

2. По способу измерения:

• однолучевые с прямой схемой измерения (прямопоказывающие);

• двухлучевые с компенсационной схемой.

3. По способу регистрации – визуальные, регистрирующие и не регистрирующие.

Измерение оптической плотности абсорбционными приборами основано на поглощении света определяемым веществом, на принципе сравнения интенсивности стандартных световых пучков, проходящих через исследуемый раствор и растворитель (кювета сравнения).

Принцип работы

Оборудование, необходимое для таких исследований, показано в виде схемы на рис. 6.1. Фотоколориметр состоит из источника излучения; регулиру­емой щели для управления интенсивностью излучения, проходящего через образец; кюветы для помещения образца; детектора, позволяю­щего измерять интенсивность излучения.

Излучение, пропускаемое через образец, должно иметь очень узкий диапазон длин волн. Спектральный диапазон работы фотометра бывает от 315 до 990 нм.

На пути светового потока в фотоколориметрах ставятся светофильтры, которые пропускают определенную часть спектра. Светофильтры имеют узкую полосу пропускания и применяются для выделения области спектра, максимально поглощаемой веществом. Этим уменьшается погрешность и повышается избирательность определений. Светофильтры подбирают опытным путем или по табличным данным.

В фотоколориметрии измерение интенсивности световых потоков проводят с помощью фотоэлементов (детектор 4). Поток света с интенсивностью I_о, проходящий через светопоглощающий раствор, частично рассеивается, преломляется, но большая его часть поглощается; из раствора выходит поток I_i, интенсивность которого меньше начальной I_о. Светопоглощение описывается основным законом Бугера-Ламберта-Бера (толщина слоя при этом неизменна), см. лекцию 4.

В спектрофотометре в блок источни­ка входит устройство монохроматора. В этом устройстве дисперсия излучения осуществляется при помощи призмы или дифракционной решетки: вра­щением этого элемента можно сфокусировать на выходной щели доста­точно интенсивное излучение с заданной длиной волны. Диапазон длин волн, которые одновременно попадают на выходную щель, зависит от диспергирующей способности призмы или решетки и от ширины щели.

Применяемые кюветы, готовят из кварца или специальных сортов стекла, они имеют определенную толщину, которая учитывается при расчетах. Определение концентрации растворов проводят:

1. с помощью калибровочного графика,

2. методом добавок,

3. методом сравнения, реже другими методами.

Преимущества:

СФ и ФЭК методы отличаются достаточно высокой чувствительностью (до 1·10^-12 моль/л), воспроизводимостью, избирательностью, простотой выполнения, дешевизной аппаратуры, благодаря чему получили широкое распространение.

УФ/видимая спектроскопия

В зависимости от того, в какой части спектра происходит поглощение или излучение, различают спектроскопию в УФ-, видимой и ИК- областях спектра.

Метод УФ/видимой спектроскопии предназначен для исследо­вания светопоглощения (светопропускания) растворов в диапа­зоне от 185—210 нм (нижний рабочий предел большинства спек­трофотометров) до 650—1000 нм (верхний предел, видимая область). Область 100-200 нм называется областью вакуумного УФ (здесь идентифицируют галогены, кислород, благородные (инертные) газы и т.д.).

В неорганических соединениях электронные спектры связаны с высокой поляризацией атомов, входящих в молекулу вещества и обычно появляются у комплексных соединений.

У органических соединений возникновение электронных спектров вызывается переходом электронов с основного на возбужденные уровни.

В спектре многих веществ имеется несколько полос поглощения. Поглощение в УФ/видимой области связано с возбуждением электронов, поэтому спектры дают ограниченную информацию о строении молекул и редко могут служить «отпечатком пальцев» какой-либо структуры.

Бесцветные вещества поглощают в УФ - и в ИК - области (колебательно-вращательной). Вещества, избирательно поглощающие в видимой области 380-780 нм окрашены.

Окраска многих неорганических соединений связана с переходами электронов внутри недостроенных d и f уровней (соединения переходных металлов и лантаноидов).

Окраска органических соединений может быть обусловлена наличием сопряженных связей, в которых электроны высокоподвижны. Установлены некоторые эмпирические зависи­мости между длиной волны в максимуме поглощения и структу­рой молекул (например, для сопряженных и изолированных двойных связей). Группы, вызывающие поглощение в области 200—800 нм, получили название хромофорных. Они содержат не менее одной кратной связи: С=С, С=0, C=N, N=0, N=N, S=0 и др.

Поглощение данных хромофоров лишь в первом, достаточно грубом приближении не зависит от окружающих его других атомов. Различные хромофоры или несколько одинаковых хромофоров в одной молекуле оказывают взаимное влияние и изменяют характер полос поглощения, что проявляется в их смещении и в изменении интенсивности поглощения. В практической работе гораздо надежнее пользоваться соответствующими атласами УФ-спектров известных органических веществ.

Область применения.

При проведении любой экспертизы велико значение и широка область применения и перспективы использования оптических методов анализа, позволяющих с большой точностью определять количество макро- или микроэлементов, в том числе токсичных, а также концентрацию других веществ, обусловливающих потребительские свойства продовольственных товаров.

Используют для количественного и качественного определения:

• алкалоидов (кофеина, теобромина, теофиллина) при контроле качества чая, кофе, какао-бобов;

• фенольных соединений (танина, катехинов, антоцианов и др.) — при исследовании состава вино­градных и плодовых вин, свежих и переработ. плодов и овощей, чая, кофе;

• степени окисленности жиров, при установлении доброкачественности жиросодержащих про­дуктов (растительных масел, масла коровьего, маргарина и май­онеза, орехов, рыбы с высоким содержанием жиров и др.);

• содержания витаминов, железа в винах;

• анализа пива, алкогольной продукции, воды и т.д.

3