2.3.2 Спектрофотометричний метод

Спектрофотометрія - метод дослідження і аналізу речовин, заснований на вимірі спектрів поглинання в оптичної області електромагнітного випромінювання. Інколи під спектрофотометрією розуміють розділ фізики, об'єднуючий спектроскопію (як науку про спектри електромагнітного випромінювання), фотометрію і спектрометрію (як теорію і практику виміру відповідної інтенсивності і довжини хвилі (або частоти) електромагнітного випромінювання); на практиці спектрофотометрію часто ототожнюють з оптичною спектроскопією. По типах систем, що вивчаються, спектрофотометрію зазвичай ділять на : молекулярну і атомну. Розрізняють спектрофотометрію в ІЧ, видимою і УФ областях спектру. Вживання спектрофотометрії в УФ і видимою областях спектру засновано на поглинанні електромагнітного випромінювання з'єднаннями, що містять хромофорні (наприклад, З = З, С=С, С=О) і ауксохромні (ОСН3, ОН, NН2 та інші) групи. Поглинання випромінювання в цих областях пов'язане із збудженням електронів s-, p-і n-орбіталей основного стану і переходами молекул в збуджені стани: s : s*, n : s*, p : p* і n : p* (переходи перераховані в порядку зменшення енергії, необхідної для їх здійснення). Переходи s : s* знаходяться в далекій УФ області, наприклад в парафінів при ~ 120 нм. Переходи n : s* спостерігаються в УФ області; наприклад, органічні сполуки, що містять n-електроні, локалізовані на орбіталях атомів О, N, S, мають смуги поглинання при довжині хвилі близько 200 нм. Лінії, відповідні переходам p : p*, наприклад, в спектрах гетероциклічних з'єднань виявляються в області близько 250-300 нм і мають велику інтенсивність. Смуги поглинання, відповідні переходам n : p*, знаходяться в ближній УФ і видимою областях спектру; вони характерні для з'єднань, в молекулах яких є такі хромофорні групи, як З = Про, C = S, N = N. Переходи типа n : p* часто виявляються забороненими, і відповідні смуги поглинання володіють дуже малою інтенсивністю. Переходи типа p : p* можуть супроводитися переходом електрона з орбіталі, локалізованою головним чином на одній групі (наприклад, С=С), на орбіталь локалізовану на іншій групі (наприклад, С=О). Такі переходи супроводжуються перенесенням електрона з одного атома на іншій і відповідні спектри називаються спектрами з перенесенням заряду. Останні характерні для різних комплексів (наприклад, ароматичних з'єднань з галогенами), що інтенсивно поглинають у видимій і УФ областях. Для іонів перехідних металів і їх комплексних з'єднань характерні переходи за участю d-електронів, а для РЗЕ і актиноїдів - переходи за участю f-електронів. Відповідні з'єднання в розчині бувають інтенсивно забарвленими, причому забарвлення (спектр поглинання) залежить від міри окислення катіона і стійкості комплексного з'єднання. Ізольовані, не взаємодіючі між собою хромофори в молекулі поглинають незалежно. В разі якої-небудь взаємодії між ними аддитивність спектрів порушується. По відхиленнях від аддитивності можна судити про характер і величину взаємодії. Оскільки положення смуг в спектрі визначається як різниця енергій основного і збудженого станів молекул, можна визначати структуру енергетичних рівнів молекул або за відомою схемою енергетичних рівнів визначати положення смуг поглинання. Будь-якому електронному стану молекул відповідає набір різних коливальних рівнів енергії. Дослідження спектрофотометрії спектрів молекул у видимій і УФ областях дозволяє встановити вигляд електронних переходів і структуру молекул. При цьому часто досліджують вплив різних типів заміщення в молекулах, зміни розчинників, температури і інших фізико-хімічних чинників. У ІЧ області виявляються переходи між коливальними і обертальними рівнями. Серед частот коливань молекул виділяють так звані характеристичні, які практично постійні по величині і завжди виявляються в спектрах хімічних сполук, що містять певні функціональні групи. Теорія коливань складних молекул дозволяє розрахунковим дорогою передбачити коливальний спектр з'єднань, тобто визначити частоти і інтенсивності смуг поглинання. Коливальні спектри молекул чутливі не лише до зміни складу і структури (тобто симетрії) молекул, але і до зміни різних фізичних і хімічних чинників, наприклад зміні агрегатного стану речовини, температури, природи розчинника, концентрації досліджуваної речовини в розчині, різною взаємодією між молекулами речовини (асоціація, полімеризація, утворення водневого зв'язку, комплексних з'єднань, адсорбція і т. п.). Тому ІЧ спектри широко використовують для дослідження, якісного і кількісного аналізу всіляких речовин. У ближній ІЧ області (10000-4000 см-1, або 1-2,5 мм), де розташовані обертони і складені частоти основних коливань молекул, смуги поглинання мають інтенсивність в 102-103 раз менше, ніж в середній ІЧ області (4000-200 см-1). Це спрощує підготовку зразків, оскільки товщина поглинаючого шару м. би. чималий (до декількох мм і більш). Експериментально техніка для роботи в цій області відносно проста. Проте чутливість і селективність визначення окремих з'єднань невеликі. Проте високе відношення сигнал : шум (до 105) створює хороші умови для кількісного аналізу при вмісті визначуваного з'єднання близько 1% і вище. Подібні аналізи виконуються за 1 мін. У далекій ІЧ області (200-5 см-1) можуть спостерігатися чисто обертальні переходи. Інтенсивність смуги поглинання молекули визначається вірогідністю відповідного електронного (або що коливає) переходу. Для виміру спектрів використовують спектральні прилади-спектрофотометри, основні частини якого: джерело випромінювання, диспергуюче елемент, кювета з досліджуваною речовиною, реєструюче пристрій. Як джерела випромінювання застосовують дейтерієву (або водневу) лампу (у УФ області) і вольфрамову лампу розжарювання або галогенну лампу (у видимій і ближній ІЧ областях). Приймачами випромінювання служать фотоелектронні помножувачі (ФЕУ) і фотоелементи (фоторезистори на основі PBS). Диспергуючими елементами приладу є призматичні монохроматор або монохроматор з дифракційними решітками. Спектр отримують в графічній формі, а в приладах з вбудованою міні-еом-в графічній і цифровій формах. Графічно спектр реєструють в координатах: довжина хвилі (нм) і (або) хвилеве число (см-1) - пропускання (%) і (або) оптична щільність. Основні характеристики спектрофотометрів: точність визначення довжини хвилі випромінювання і величини пропускання, що вирішує здатність і світлосила, час сканування спектру. МІНІ-ЕОМ (або мікропроцесори) здійснюють автоматизоване управління приладом і різну математичну обробку отримуваних експериментальних даних: статистичну обробку результатів вимірів, логарифмування величини пропускання, багатократне диференціювання спектру, інтеграцію спектру по різних програмам, розділення смуг, що перекриваються, розрахунок концентрацій окремих компонентів і тому подібне. Спектрофотометри зазвичай забезпечуються набором приставок для здобуття спектрів віддзеркалення, роботи із зразками при низьких і високих температурах, для виміру характеристик джерел і приймачів випромінювання і тому подібне Для дослідження спектрів в ІЧ області використовують зазвичай спектрофотометри, що працюють в інтервалі від 1,0 до 50 мкм (від 10000 до 200 см-1). Основними джерелами випромінювання в них є стрижень з кароїда кремнію (глобар), штифт з суміші оксидів цирконію, торія і ітрію (штифт Нернсту) і спіраль з ніхрому. Приймачами випромінювання служать термопари (термоелементи), болометри, різні моделі оптико-акустичних приладів і піроелектричні детектори, наприклад на основі дейтерованого трігліцинсульфата (ТГС). У спектрофотометрах, сконструйованих за "класичною" схемою, як диспергуючі елементи застосовують призматичні монохроматор або монохроматор з дифракційними решітками. В кінці 60-х рр. 20 ст. випускаються ІЧ фурье-спектрофотометри, які володіють унікальними характеристиками: вирішуюча здатність - до 0,001 см-1, точність визначення хвилевого числа v-до 10-4 см-1 (відносна точність bdv/v ! ! 10 -8), час сканування спектру може досягати 1 с, відношення сигнал: шум перевищує 105. Ці прилади дозволяють вивчати зразки масою менше 1 нг. До них також є різні приставки для здобуття спектрів віддзеркалення, дослідження газів при малих або високих тиску, різних температурах і тому подібне. Вбудована в прилад МІНІ-ЕОМ управляє приладом, виконує фурье-перетворення, здійснює накопичення спектрів, проводить різну обробку отримуваної інформації. ІЧ фурье-спектрофотометри можуть містити програми по автоматичній ідентифікації зразка невідомого складу і визначенню вмісту домішок, напр. в напівпровідникових матеріалах. Спектрофотометрію широко застосовують для дослідження органічних і неорганічних речовин, для якісного і кількісного аналізу різних об'єктів (зокрема, природних), для контролю технологічних процесів.

Роботу проводять на приладі фотоелектричний колориметр КФК-2 або КФК-2МП. Колориметр фотоелектричний призначений для виміру в окремих ділянках діапазону довжин хвиль 315 - 980 нм, що виділяються світлофільтрами, коефіцієнтів пропускання і оптичної щільності рідинних розчинів і твердих тел. Колориметр фотоелектричний відноситься до приладів об'єктивного типу, в основу яких покладений принцип зрівнювання інтенсивності світлових променів.

Оптична схема прибора:

Р1 - лампа 10 - кювета

2 - конденсатор 12 - фотодіод ФД-24К (590-980 нм)

3 - діафрагма 13 - світлофільтри для уравнивания фо-

4 - 6 – об’ектив з увеличенням 10^х тотока из кольорового скла СЗС-16

7 - нейтральний світлофільтр 14 - пластина, що ділить світловий поток

8 - кольорові світлофільтри на два 10 % на 12, 90 % на 15

9, 11 - захисні стекла 15 - фотоелемент Ф-26 (315-540 нм)

Рис. 2.2 Оптична схема фотоколориметра

Фотоелектричний колориметр включається в мережу за 15 хв. до початку роботи. Під час прогрівання кюветное відділення має бути відкрите. Вибір кювети : попередній вибір кювети проводиться візуально, відповідно до інтенсивності забарвлення розчину. Якщо розчин забарвлений інтенсивно, слід користуватися кюветами з малою робочою довжиною. У разі слабо забарвлених розчинів рекомендується працювати з кюветами з великою робочою довжиною. Значення оптичної щільності має бути в межах від 0,3 - 0,8.

Фотоелектричний колориметр включається в мережу за 15 хв. до початку Вибір світлофільтру : наявність в калориметрі вузла світлофільтрів і набору кювет дозволяє підібрати таке їх поєднання, при якому погрішність у визначенні концентрації буде найменшою. Вибір світлофільтрів робиться таким чином: - налити розчин в кювету і визначити оптичну щільність для усіх світлофільтрів;

- за отриманими даними побудувати криву, відкладаючи по горизонтальній осі довжини хвиль, а по вертикальній осі - відповідні значення оптичної щільності. На спектральній кривій відзначається та ділянка кривої для, якого оптична щільність має максимальну величину;

- світлофільтр для роботи вибирають так, щоб довжина хвилі, що відповідає максимуму коефіцієнта пропускання світлофільтру, доводилася на відмічену вище ділянку спектральній кривій випробовуваного розчину.