ХНС

Видно, що існує оптимальне значення оптичної густини, при якому похибка мінімальна. Це значення Аопт = 0,434. Для виміру концентрації з похибкою, що не перевищує подвоєної мінімальної, потрібно проводити вимір А в інтервалі 0,1 – 1,0. Для зниження випадкової похибки виміру в області великих і малих значень А існують спеціальні прийоми, один з них

– диференціальний метод аналізу.

Способи визначення концентрацій

1) Метод градуювального графіка.

Готують серію з 4 – 6 розчинів визначуваної речовини з відомою концентрацією, яка постійно збільшується, вимірюють оптичну густину цих розчинів при однакових умовах, будують графік залежності оптичної густини А від концентрації С.

2) Метод добавок.

Спочатку вимірюють оптичну густину Ах розчину з невідомою концентрацією (Сх), а потім до аналізованого розчину послідовно додають певні кількості розчину визначуваного компонента, вимірюють оптичну густину і будують градуювальник графік (рис. 17.8).

Рис. 17.8. Градуювальник графік у методі добавок Відрізок, що відсікається, є визначуваною концентрацією Сх.

Важливо правильно вибрати кількість добавки. Похибка буде найменшою, якщо перша добавка близька до визначуваної кількості, а друга – в 2 рази більше першої. Такі добавки повинні забезпечити кут нахилу прямої, близький до 45°. Метод добавок дозволяє врахувати вплив інших компонентів та матриці на результати визначення.

3) Диференціальний метод.

У цьому методі в кювету порівняння поміщають не розчинник або холостий розчин, а розчин визначуваної речовини з відомою концентрацією. Настроювання приладу на нуль проводять за допомогою поглинаючих розчинів. Причому як розчин порівняння може бути обраний як перший розчин серії еталонів, так і кожний з них. В останньому випадку говорять про метод двосторонньої диференціальної спектрофотометрії.

271

Наприклад, на рис. 17.9 представлений градуювальний графік при визначенні великих кількостей перманганату калію, де вимір оптичної густини проводився відносно передостаннього розчину №5 градуювальної серії:

Рис. 17.9. Градуювальний графік диференціальної фотометрії

Спектрофотометричний метод дозволяє провести аналіз суміші речовин, визначити число компонентів у суміші, дослідити склад комплексних сполук. Фотометричні методи розроблені для визначення практично всіх елементів. При моніторингу навколишнього середовища цим методом проводять визначення мікроелементів у ґрунтах, водах, живих організмах, рослинах. Визначення пігментів у сечі, крові (порфірін, урохром, уробілін) у клінічних лабораторіях проводять фотометричним методом. Жовчний пігмент білірубін вилучають спиртом і визначають фотометричним методом після обробки діазореактивом Ерліха (сульфанілова кислота). Вміст заліза в крові (гемоглобін) оцінюють фотометричним методом за інтенсивністю червоного забарвлення комплексу заліза з о-фенантроліном.

17.2. ІЧ-спектроскопія

Метод ІЧ-спектроскопії так само, як і спектрофотометрія, є молекулярним абсорбційним методом. Якщо молекула поглинає фотон з енергією менш 80 кДж/моль, то цієї енергії вистачає лише на зміну коливань атомів, але не на електронний перехід. Молекула переходить із одного коливального стану в інший, а відповідна спектральна лінія поглинання лежить в ІЧ-області. Необхідна умова коливального переходу

– зміна дипольного моменту молекули при коливаннях атомів. Симетрична молекула, що не володіє дипольним моментом, не може поглинути ІЧвипромінювання. Приклади таких молекул – двохатомні молекули з ковалентним зв'язком (Н2, N2, галогени і т.д.). Коливальні переходи обов'язково супроводжуються обертальними, тому коливальна спектральна

272

лінія перетворюється в смугу, що складається з безлічі ліній, а ІЧ-спектр являє собою набір смуг поглинання. Зазвичай ІЧ-спектр представляють у координатах «хвильове число у зворотних сантиметрах – пропускання Т у відсотках» (рис. 17.10).

Рис.17.10. ІЧ-спектр

ІЧ-спектр речовини – неповторний і індивідуальний тільки для даної речовини. Спектри містять певні смуги, характерні для коливань певних атомів або груп атомів у молекулі. Частоти, що відповідають цим смугам, називають характеристичними. Різні молекули, що містять той самий зв'язок або ту ж саму атомну групу, будуть давати в ІЧ-спектрі смуги поглинання в області однієї й тієї ж характеристичної частоти. Наприклад, смуги в області спектра 3000 – 3600 см–1 можуть бути приписані тільки О– Н або N–H зв'язкам. Відсутність смуг у цій області спектра свідчить про відсутність цих груп у речовині.

Невідому сполуку ідентифікують, порівнюючи її спектр зі спектрами відомих сполук, знятих у тих же умовах. ІЧ-спектри безлічі сполук зареєстровані і зібрані в спеціальних атласах.

Для роботи в ІЧ-області використовують ІЧ-спектрометри. В основі їхньої конструкції зазвичай лежить двопроменева схема (рис. 17.11).

Рис. 17.11. ІЧ-спектрометр:

1 – джерело ІЧ-випромінювання; 2 – дзеркала; 3 – модулятор; 4 – вимірювальна кювета; 5 – кювета порівняння; 6 – монохроматор; 7 – детектор; 8 – індикатор

273

На відміну від спектрофотометрів для УФ- і видимої областей пробу поміщають перед монохроматором, що зменшує розсіяне випромінювання. В ІЧ-області не можна використовувати скляні і кварцові деталі і не можна працювати з водними розчинами, оскільки вода, скло і кварц поглинають ІЧ-випромінювання. Пробу розтирають із вазеліновим маслом або готують таблетки з KBr. Кювети та призми виготовляють із матеріалу, прозорого в ІЧ-області (LiF, NaCl, KBr). Зараз замість призм використовують решітчасті монохроматори завдяки їхній перевазі перед призмами (більш висока і рівномірна резолюційна здатність, механічна і хімічна стійкість, широкий робочий діапазон спектра).

Джерела випромінювання

В області 1–15 мкм застосовують штифт Нернста – стрижень із суміші оксидів РЗЕ (церій, цирконій, торій, ітрій). Для одержання ІЧвипромінювання стрижень нагрівають до 1500°С. В області до 30 мкм використовують глобар – стрижень із карбіду кремнію, що нагрівається до

1300°С.

Монохроматори та кювети

Використовують призми з монокристалів NaCl, KBr, CsBr, а також дифракційні решітки. Для роботи з органічними розчинами використовують дві пластинки із хлориду натрію, закріплені в металевому кожусі. Для роботи з водними розчинами використовують пластини із хлориду срібла. Тверді сполуки розчиняють в органічному розчиннику, що не поглинає в досліджуваній області спектра (CCl4, CHCl3, CS2). Якщо тверда проба не розчинна у звичайних розчинниках, її суспендують у вазеліні, нуйолі та інших маслах або змішують із порошком броміду калію і пресують у вигляді таблетки. Суспензію вводять у проміжок між пластинами із хлориду натрію, а таблетку поміщають прямо в кюветне відділення.

Детектори

Детектування сигналу в ІЧ-області засновано на виділенні теплоти при поверненні молекул із збудженого коливального стану в основний. Для цього теплову енергію перетворюють в електричний сигнал, частіше за допомогою термопари, болометра та термістора. У термопарах (термоелементах) застосовують термо-ЕРС, що виникає при зміні температури спаю між металами і сплавами (наприклад, мідь – константан, срібло – вісмут) під дією ІЧ-випромінювання. Принцип дії болометра заснований на зміні електроопору матеріалу при нагріванні.

Звичайна форма представлення спектра – залежність інтенсивності від частоти випромінювання. Однак спектр можна представити і як залежність інтенсивності від часу (Фур’є-перетворення). Тобто спектр реєструється в шкалі часу. В звичайних ІЧ-спектрометрах спектр реєструється послідовно. Спектрометри з Фур’є-перетворенням

274

дозволяють одразу отримати всю інформацію про спектр у формі інтерферограми.

Застосування ІЧ-спектроскопії

ІЧ-спектроскопія залишається неперевершеним методом ідентифікації і дослідження будови органічних і деяких неорганічних сполук. За ІЧ-спектрами можна встановлювати склад різних сумішей органічних речовин. Так, метод широко застосовують при дослідженні органічних компонентів ґрунтів, з яких більшу частину становлять гумусові кислоти – азотовмісні оксикарбонові кислоти.

ІЧ-випромінювання підкоряється законам світлопоглинання, що можна використовувати для кількісного визначення речовин, зазвичай застосовують метод градуювального графіка. При одержанні значення Т, особливо для суміші речовин, часто користуються методом базисної лінії, оскільки фон в ІЧ-області може бути досить високим.

ІЧ-аналізатори широко використовуються для аналізу газів. Дві ідентичні газові кювети – вимірювальну і кювету порівняння – опромінюють пульсуючими потоками ІЧ-випромінювання однакової інтенсивності. Пульсацію потоків здійснюють за допомогою механічного переривача, що обертається. Кювету порівняння заповнюють газом, який не поглинає в ІЧ-області (зазвичай азот). Пневматичний детектор складається із двох камер, розділених мембраною. Мембрана одночасно є одним з електродів конденсатора. Камери заповнюють чистим визначуваним газом, наприклад, СО. Пульсуюче випромінювання поглинається газом, який знаходиться в камерах. Це призводить до підвищення температури і, відповідно, періодичним коливанням мембрани. Якщо інтенсивності світлових потоків, що падають на обидві камери, різняться, мембрана зміщується відносно нейтрального положення. Це приводить до зміни ємності конденсатора, яке пропорційне величині поглинання. Приклади застосування бездисперсійних ІЧаналізаторів наведено в табл. 17.1.

Таблиця 17.1. Застосування бездисперсійних ІЧ-аналізаторів для визначення газів

275

17.3. Люмінесцентний аналіз

Люмінесцентний метод аналізу заснований на вимірюванні інтенсивності світіння атомів, іонів, молекул і інших більш складних частинок при їхньому збудженні різними видами енергії, найчастіше квантами УФ- і видимого випромінювання.

Залежно від способу збудження частинок розрізняють:

Молекула поглинає квант світла і переходить із основного стану S0 у збуджений електронний стан S1 (рис. 17.12).

Рис. 17.12. Схема енергетичних переходів молекули, що ілюструє виникнення флуоресценції (а) і фосфоресценції (б)

276

При кімнатній температурі молекули перебувають в основному коливальному стані. Переходячи в збуджений стан, молекула попадає на один з його коливальних рівнів. Потім за 10-12с відбувається перехід електрона на нижній коливальний підрівень збудженого стану (коротка хвиляста стрілка). Цей процес називають коливальною релаксацією. Повернення молекули з нижнього коливального стану S1 у незбуджений стан S0 може відбутися трьома шляхами:

1)втрата молекулою енергії у вигляді теплоти в результаті зіткнень із іншими частинками (довга хвиляста стрілка на малюнку а);

2)повернення молекули на будь-який коливальний підрівень основного стану з випромінюванням енергії у вигляді кванта світла без зміни спина електрона – флуоресценція (довга стрілка на малюнку а);

3)перехід молекули зі збудженого стану S1 у метастабільний стан Т1,

апотім в основний S0 або в результаті внутрішньої конверсії з виділенням теплоти (довга хвиляста стрілка на малюнку б), або з виділенням кванта світла – фосфоресценція (довга стрілка на малюнку б). Флуоресценція спостерігається набагато частіше фосфоресценції, особливо в рідких розчинах. Інтенсивна фосфоресценція спостерігається в органічних сполуках у замороженому або в склоподібному стані, коли дифузія мінімальна. Тобто різниця між флуоресцентною і фосфоресцентною

спектроскопією полягає у тривалості світіння частинок. Флуоресценція триває 10–9 – 10–7 секунд, фосфоресценція – від 10–3 до 10 секунд.

Розглянемо основні закономірності молекулярної люмінесценції. 1. Незалежність спектрів люмінесценції від довжини хвилі

збуджуючого світла.

Залежність інтенсивності люмінесценції від довжини хвилі або частоти випромінювання називають спектром люмінесценції. Вид спектра не залежить від довжини хвилі збуджуючого світла. Це зрозуміло, якщо згадати, що випромінювання завжди відбувається з нижчого коливального рівня першого збудженого стану (дивися рис. 17.11) незалежно від того, який квант поглинається молекулою і на який енергетичний рівень вона при цьому перейде.

У зв'язку з цією закономірністю виникає питання, наскільки ефективно збуджуюче світло перетворюється в речовині в люмінесценцію, адже частина поглиненої енергії при фотолюмінесценції витрачається на безвипромінювальні переходи. У зв'язку з цим енергія квантів, що випромінюються, (hνlum) повинна бути менше енергії квантів, що поглинаються:

hνabs > hνlum.

Ефективність перетворення збуджуючої енергії в люмінесцентне випромінювання можна охарактеризувати енергетичним (Вен) і квантовим (Вкв) виходами люмінесценції. Енергетичний вихід – це відношення

277

випромінюваної енергії люмінесценції до енергії поглиненого світла; квантовий вихід – це відношення числа випромінюваних і поглинених квантів.

Залежність енергетичного виходу люмінесценції від довжини хвилі збуджуючого світла підкоряється закону Вавілова: енергетичний вихід люмінесценції зі збільшенням довжини хвилі збуджуючого світла спочатку зростає пропорційно довжині хвилі, потім залишається постійним, а після досягнення деякої граничної довжини хвилі різко падає.

Чим більше квантовий вихід люмінесценції, тим менша кількість люмінесціюючої речовини може бути виявлена по його світінню.

2. Закон Стокса – Ломеля.

Спектр випромінювання в цілому і його максимум завжди зміщені в порівнянні зі спектром поглинання і його максимумом у бік довгих хвиль (рис. 17.13). Втрата частини енергії квантів світла, що поглинаються, на безвипромінювальні процеси приводить до того, що квант, який випромінюється, має меншу енергію і, отже, більшу довжину хвилі, чим

поглинений.

I

Рис. 17.13. Спектри поглинання (abs) і люмінесценції (fl), що ілюструють закон Стокса – Ломеля

3. Правило дзеркальної симетрії В.Л. Левшина.

Спектри поглинання і люмінесценції дзеркально симетричні відносно прямої, що проходить через точку перетинання перпендикулярно осі частот.

Спектри необхідно нормувати, тому що інтенсивність поглинання і випромінювання одержують у різних одиницях. Крім того, ця залежність дотримується в координатах Ilum (або Ifl) від частоти. Дзеркальна симетрія для ряду сполук (родамінові барвники) може виконуватися, якщо спектри зображувати в шкалі довжин хвиль.

Інтенсивність люмінесценції при постійності квантового виходу люмінесценції Вкв і інтенсивності збуджуючого випромінювання:

Ilum = kС,

де С – концентрація флуоресціюючої речовини.

278

При великій концентрації ця прямолінійна залежність може не виконуватися, спостерігається явище гасіння люмінесценції. Зменшення квантового виходу люмінесценції називають гасінням.

Причини гасіння:

–концентраційне гасіння внаслідок хімічних змін у системі. Наприклад, у результаті агрегації молекул можуть утворитися асоціати, які не володіють здатністю до люмінесценції або що мають інші змінені спектральні характеристики;

–температурне гасіння, що обумовлене збільшенням коливальної енергії молекул і зростанням імовірності безвипромінювального переходу;

–гасіння в присутності домішок. Наприклад, залізо, нікель і кобальт значно пригнічують світіння кристалофосфорів (CaSO4, CaS, SrS, ZnS, CdS

іін.) у концентрації 10-5 – 10-6 %. Їх називають люмінесцентними отрутами. Ефект, який спостерігається, дає можливість визначати залізо, нікель і кобальт з високою чутливістю. Люмінесценцію кристалофосфорів застосовують в аналітичній практиці як високочутливий і селективний метод визначення лантанідів, урану, деяких d-перехідних елементів.

Прилади для люмінесцентного аналізу називаються флуориметри. Схема флуориметра наведена на рис. 17.14.

Рис. 17.14. Флуориметр:

1– джерело (ртутно-кварцова лампа); 2 – первинний світлофільтр; 3

–кювети з пробою; 4 – вторинний світлофільтр; 5 – детектор (фотопомножувач)

Первинний світлофільтр пропускає випромінювання з довжинами хвиль збудження, вторинний світлофільтр пропускає люмінесцентне випромінювання і затримує збуджуюче та розсіяне випромінювання. Прилад для вимірювання люмінесценції відрізняється від абсорбційного спектрофотометра тим, що вимірювання здійснюється під кутом (зазвичай прямим) до променя світла, що падає. Високоякісний флуоресцентний спектрометр має два монохроматори. Це дозволяє незалежно реєструвати і

279

спектр збудження, і спектр люмінесценції. Для реєстрації фосфоресценції додатково необхідний механічний або електронний переривач та прилад для охолодження проби до температури рідкого азоту, так як фосфоресценція спостерігається зазвичай лише при дуже низьких температурах.

Застосування люмінесценції

Метод використовують для виявлення і визначення багатьох неорганічних і органічних сполук. Іони деяких елементів у розчинах мають власну люмінесценцію (лантаноїди Sm, Eu, Gd, Tb, Dy; U(VI)).

Для аналітичних визначень неорганічних іонів використовують комплексні сполуки – 8-оксихінолінат алюмінію, комплекси алюмінію і берилію з поліоксипохідними флавонами, магнію з оксіазосполуками. Особливо інтенсивну флуоресценцію мають конденсовані поліароматичні системи, такі як в молекулах антрацену, флуоресцеїну, флуорену (екологічний моніторинг природних вод).

Великий клас люмінесцентних реагентів становлять родамінові барвники, які з металогалогенідними комплексами, наприклад, GaCl4–, InBr4–, утворюють флуоресціюючі асоціати.

Люмінесценція – один із самих чутливих методів аналізу, застосовується для визначення слідових кількостей елементів. Цей метод дозволяє визначати від 10 до 10–4 мкг/мл речовини.

Методи, засновані на власній люмінесценції речовин, винятково селективні на відміну від методів визначення елементів, що використовують органічні реагенти. Вибірковість люмінесцентного аналізу можна підвищити, варіюючи довжину хвилі збудження і реєстрації сигналу, час спостереження у фосфоресцентних методах, рН розчину, температуру і т.д.

Люмінесценція широко застосовується для визначення органічних речовин (вітаміни, ліки, наркотики). У неорганічному аналізі люмінесцентний аналіз використовують в основному для визначення рідкісноземельних елементів, а також малих кількостей домішок у напівпровідникових матеріалах.

Визначення озону у повітрі проводять з використанням хемілюмінесцентної реакції. Хемілюмінесценція спостерігається тоді, коли в ході хімічної реакції утворюється збуджена молекула, яка здатна люмінесціювати при переході до основного стану. Реагент – барвник родамін В, який іммобілізовано на поверхні силікагелю. Методика дозволяє визначати до 1 частини озону на мільярд.

280