сканирующие ИК-спектрометры при регистрации спектров в далекой инфракрасной области: 400— 10 см '1.
Для регистрации ИК-спектров образцов применяют разнообразные методики. Газообразные образцы исследуют в специальных газовых кю ветах. Газовая кювета представляет собой цилиндр длиной около 10 см с прозрачными в инфракрасной области спектра окнами из КВг или CaF2
на торцах и вакуумными кранами для наполнения исследуемым газом и его откачки. Существуют многоходовые газовые кюветы, в которых с помощью зеркал обеспечивается многократное прохождение пучка лучей через слой газа. В таких кюветах общая длина пути пучка лучей через исследуемый газ может составлять от 1 до 1 0 м.
Чистые жидкости исследуют в виде тонких пленок, получаемых сдав ливанием капли жидкости между двумя пластинками, изготовленными из галогенидов щелочных или щелочноземельных металлов (LiF, CaF2, КВг).
Исследуемый раствор помещают в кюветы. Обычно кювета состоит из двух пластинок (или окон из LiF, CaF2, КВг) с тефлоновой прокладкой между ними, задающей толщину поглощающего слоя. Прокладки имеют толщину 0,01— 1 мм. Растворы вводятся и извлекаются из кюветы через специальные отверстия. Существуют также кюветы регулируемой тол щины. В таких кюветах прокладка отсутствует. Одно окно кюветы закреп лено, а другое в поршневом уплотнении перемещается с помощью тща тельно отградуированного микрометрического винта, позволяющего плавно менять толщину поглощающего слоя от 0 , 0 1 до 1 мм и более.
Концентрация образца в растворе варьируется в пределах 0,01— 1 М. В качестве растворителей применяют свободные от влаги жидкости, про зрачные в тех областях спектра, где ожидается появление спектральных полос. Наиболее употребительны бензол, хлороформ, тетрахлорид угле рода, тетрахлорэтилен, ацетонитрил, диоксан.
Подготовку твердых образцов для регистрации их ИК спектров осу ществляют двумя способами: 1 ) готовят мелкодисперсную суспензию образца в вазелиновом масле или других иммерсионных жидкостях, на пример перфторкеросине; 2) прессуют таблетки из КВг, содержащих тон кодисперсионный образец.
Для регистрации спектров КР используют спектрометры КР. Как уже отмечалось выше, интенсивность линий КР зависит от интенсивно сти возбуждающего света. Поэтому в современных спектрометрах КР применяют исключительно высокоинтенсивные монохроматические источ ники — лазеры: гелий-неоновый ( Я = 632,8 нм), аргоновый ( Я = 488,0 нм) и криптоновый ( Я = 530,8 нм и 647,1 нм).
Из всех существующих моделей лазерных спектрометров КР наи большее распространение получили модели, построенные по традицион ной оптической схеме, с регистрацией рассеянного излучения под пря-
300
мьш углом к падающему лазерному пучку. Спектры КР представляют в виде кривых зависимости интенсивности рассеянного излучения от вели чины сдвига частоты возбуждающего света.
Лазерные спектрометры КР позволяют получать спектры веществ в л ю б ы х агрегатных состояниях. Для регистрации спектров газов исполь зуют многоходовые газовые кюветы объемом несколько см3. Внутри та кой кюветы лазерный луч совершает до 1 0 0 ходов, в результате чего об щая длина пути луча через исследуемый газ может достигать -1,5 м.
Жидкие образцы или растворы помещают в пробирки (ампулы) или ка пилляры. Концентрация исследуемого раствора обычно составляет 0,1— 1 М. Использование метода РКР света позволяет снизить ее до Ю-4— 10“ 3 М
Монокристаллы, полимеры и волокна исследуют непосредственно. Порошкообразные вещества прессуют в виде таблеток КВг.
Идентификация и структурно-групповой анализ. Колебательные спектры обладают высокой специфичностью и широко используются для идентификации веществ. Каждому веществу присущ свойственный толь ко ему набор полос и не существует двух веществ, которые имели бы одинаковые колебательные спектры. В настоящее время имеются атласы ИК-спектров и спектров КР для различных классов органических, эле ментоорганических и неорганических веществ, в которых указаны усло вия подготовки образцов и регистрации спектров, а также модели спек трометров.
Идентификация неизвестного вещества по его ИК спектру или спек тру КР заключается в сопоставлении его спектра с эталонным, приведен ным в атласе. Учитывая, что колебательные спектры, зарегистрирован ные на различных спектрометрах или в различных условиях, могут отли чаться между собой, важнейшим условием сравнения спектров является стандартизация условий их регистрации. Информационно-поисковые системы, созданные на базе современной электронно-вычислительной техники, помогают отыскать нужный спектр в атласе.
Совпадение спектральной кривой исследуемого вещества со спек тральной кривой эталона свидетельствует об идентичности двух веществ. Отсутствие в спектре исследуемого вещества полос, наблюдаемых в спектре образца сравнения, однозначно указывает на то, что эти вещества различны. Присутствие в спектре исследуемого вещества большего числа полос по сравнению со спектром эталона может быть объяснено как за грязнением исследуемого вещества, так и различием обоих веществ.
При идентификации молекул органических веществ особое внима ние уделяют области спектра 1300—600 см-1. В эту область попадают полосы, отвечающие колебаниям одинарных связей С-С, С-N , С-О, а также многие деформационные колебания. В результате сильного взаи модействия этих колебаний отнесение полос к отдельным связям невоз можно, однако весь набор полос в этой области спектра является харак
теристикой ядерного остова (скелета) молекулы в целом. Эту область называют областью отпечатков пальцев. По колебательным спектрам в этой области можно идентифицировать даже изомеры (рис. 11.54).
е
1300 |
1200 |
1100 |
1000 |
900 |
800 |
ТОО |
б
Рис. 11.54. ИК-спектры я-гексанз (а) и 2-метилпентаиа (б)
С помощью колебательных спектров можно проводить качественный анализ смесей веществ неизвестного или частично известного состава. Если требуется определить примесь в каком-либо веществе, то можно в канал сравнения ИК спектрометра поместить кювету регулируемой толщины с основным веществом и, плавно меняя толщину кюветы, полностью ском пенсировать поглощение основного вещества. В результате ИК-спектрометр будет регистрировать лишь спектр примеси. Ее идентифицируют, пользуясь атласом ИК-спекгров. Качественный анализ смесей веществ неизвестного состава проводят после разделения компонентов смеси методом экстракции, хроматографии, фракционной перегонки, осаждения и т. д.
Метод колебательной спектроскопии позволяет получить информа цию о Наличии или отсутствии тех или иных групп атомов в молекуле ве щества. Используя данные о характеристичности частот в совокупности с результатами элементного анализа И другими физико-химическими иссле дованиями (электронные спектры поглощения, спектры ЯМР), можно ус тановить структуру вещества. Например, если в спектре вещества, состоя щего из углерода, водорода и кислорода, наблюдаются полосы в области 1300—700 см' 1 (колебания углеродного скелета), полосы в области 3000 см' 1 (валентные колебания С-Н) и полоса при 3700 см' 1 (валентное коле бание О-Н), то согласно корреляционной диаграмме (см. табл. 11.5), мож но отождествить указанное вещество с алифатическим спиртом.
Методы колебательной спектроскопии могут применяться для обна ружения и идентификации промежуточных продуктов в химических ре акциях и установления их структуры. Так, методом ИК-спектроскопии было установлено, что при реакции гидрирования олефинов молекуляр ным водородом в присутствии трифенилфосфинового комплекса родия Rh[P(C6 H5)3]3Cl сначала образуется гидридное соединение родия: в спектре появляется полоса - 2 0 0 0 см '1, относящаяся к валентному коле банию Rh-H. Полученное промежуточное соединение взаимодействует с молекулой олефина с образованием насыщенного углеводорода.
Колебательные спектры многоатомных молекул весьма сложны, и отнесение полос в этих спектрах к колебаниям отдельных связей (групп) при проведении структурно-группового анализа — непростая задача. В этом случае полезно исследовать колебательные спектры изотопозаме щенных молекул. При изотопном замещении потенциальная энергия мо лекул, а следовательно и силовые постоянные не меняются, различие в частотах изотопозамещенных молекул обусловлено лишь эффектом масс. У двухатомной молекулы относительное смещение частот будет опреде ляться в соответствии с уравнением (11.54) соотношением
(11.57)
где fi и fi' — приведенные массы изотопных молекул.
Изотопный эффект сильнее всего проявляется при замещениях легких атомов. Наиболее распространено замещение водорода на дейтерий с целью отнесения полос валентных и деформационных колебаний связей С-Н, N-H, О-Н и до. Замена водорода на дейтерий вызывает понижение частот валент
ных и деформационных колебаний указанных связей в - V2 раз. Количественный анализ. Колебательную спектроскопию исполь*
зуют преимущественно для количественного определения органических веществ. Определение одного вещества методом ИК-спектроскопии ба зируется на основном законе светопоглощения. Для внесения поправок на частичное рассеяние инфракрасного излучения и перекрывание сосед них полос поглощения посторонних веществ необходимо провести базо вую линию и найти / 0 и I (рис. 11.55). Хотя выбор точек для проведения
базовой линии в известной степени произволен, это не имеет существенного значения, если в спектрах образцов сравнения, применяемых для построе ния градуировочного графика, эти точки выбираются точно таким же спосо бом и не наблюдается наложения новых посторонних полос.
Анализ смесей веществ методом ИК-спектроскопии базируется на основном законе светопоглощения и законе аддитивности оптических плотностей (см. разд. 11.4.1).
a
Рис. 11.55. Два способа построения базовой линии
Поскольку величины молярных коэффициентов поглощения в это»|
случае невелики ( £ ~ 1 - 1 -1 0 3), пределы обнаружения веществ методом ИК-спектроскопии достаточно высоки (табл. 11.6 ).
Т а б л и ц а 11.6. Пределы обнаружения, относительное стандартное отклонение s, и области применения методов колебательной спектроскопии
Метод |
|
|
Предел |
S, |
Область применения |
|
обнаружения, |
|
|
|
|
|
% масс. |
|
|
ИК-спектроскопия |
1 |
0 |
' 1— |
1 0 |
0,05—0,20 |
Анализ газов, жидкостей |
|
|
|
|
|
|
н твердых веществ |
Спектроскопия КР |
1 |
0 |
' 1— |
1 0 |
0,05—0,20 |
То же |
Спектроскопия |
1 |
0 ^*—1 0 ~‘ |
0,05—0,20 |
Анализ газов, жидкостей, |
РКР |
|
|
|
|
|
определение загрязнений |
|
|
|
|
|
|
в воздухе |
Рис. 11.56. Блок-схема установки дистационного детектирования загрязняющих веществ в атмосфере:
1 — мощный импульсный лазер; 2 — монохроматор; 3 — детектор; 4 — регист рирующее устройство; 5 — фокусирующая оптика; 6 — молекулы загрязняющих веществ в атмосфере
Количественный анализ по спектрам КР основывается на прямой пропорциональной зависимости между интенсивностью рассеянного све т а / и числом молекул N в единице объема:
где кг — коэффициент пропорциональности, зависящий от условий экс
перимента (оптические характеристики спектрометра, мощность источ ника возбуждающего света); / — интенсивность рассеянного излучения, приходящегося на одну молекулу.
Еще одно направление практического использования спектроскопии РКР — дистанционное определение загрязнений в атмосфере. Схема та кой установки приведена на рис. 11.56. В качестве источника излучения используют мощные импульсные лазеры.
11.4.3. М олекулярная люминесценция
Все вещества при сильном нагревании начинают излучать электромаг нитную энергию. Излучение нагретых веществ называют тепловым равно весным излучением. Однако некоторые вещества излучают электромагнит ную энергию без нагревания — при комнатной температуре. Такое излуче ние называют люминесценцией, а люминесцентные вещества — люминофо рами. В отличие от теплового, люминесценция является неравновесным из лучением.
Существует достаточно много определений люминесценции. Наибо лее удачным, характеризующим суть этого явления, является определе ние, данное В. JI. Левшиным: «Люминесценция — это свечение атомов, молекул, ионов и других более сложных комплексов, возникающее в ре зультате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное».
Отсюда следует, что для возбуждения люминесценции необходимо подводить энергию извне, поскольку она теряется при излучении. Поэто му виды люминесценции вполне естественно классифицировать по внеш нему источнику возбуждения энергии (табл. 11.7).
Т а б л и ц а 11.7. Классификация методов люминесценции по способам возбуждения
Источник возбуждения |
Вид люминесценции |
Электромагнитное излучение УФ и |
Фотолюминесценция |
видимого спектрального диапазона |
|
Поток электронов (катодные лучи) |
Катодолюминесцеиция |
Поток ионов щелочных металлов |
Ионолюминесцеиция |
в вакууме |
|
Рентгеновское излучение |
Рентгеиолюмииесценция |
Радиоактивное излучение |
Радиолюминесцеиция |
Тепловая энергия |
Термолюминесцеиция, или |
|
каидолюмииесцеиция |
Ультразвук |
Соиолюмииесценция |
Механическое воздействие |
Триболюминесценция |
Энергия химических реакций |
Хемилюмииесценция |
Наиболее часто в аналитической практике используют фотолюминес ценцию и хемилюминесценцию; эти методы мы и рассмотрим в настоящем разделе. Атомная и рентгеновская флуоресценция см. разд. 11.3.4 и 11.3.5.
Чем привлекает аналитиков метод молекулярной люминесцентной спектроскопии по сравнению с молекулярной абсорбционной? Прежде всего ббльшей чувствительностью. Это обусловлено тем, что люминес центный метод относится к силовым, в котором выходной сигнал увели чивается с увеличением интенсивности источника излучения. Для боль шинства определяемых этим методом соединений пределы обнаружения не превышают 10- 3 мкг/мл. Напомним, что в абсорбционной спектроско пии эта величина на один-два порядка больше.
В идеальных условиях (высокие значения квантовых выходов лю минесценции, молярных коэффициентов поглощения, отсутствие по правки на контрольный опыт и др.), даже применяя в качестве источни ка возбуждения лампы, удается достичь пределов обнаружения на уровне пикограммов в миллилитре. В модельных экспериментах с ро дамином 6 Ж, сорбированном на отдельных частицах кремнезема диа метром 1 0 мкм, при использовании флуоресцентного микроскопа с ла зером в качестве источника возбуждения излучения удалось определить я 8000 молекул красителя ( « 6 1 0 ' 18 г), сорбированных на индивиду альной частице.
Высокая чувствительность определения, в ряде случаев большой диапазон определяемых содержаний — иногда до 4 порядков величин концентраций — при той же воспроизводимости результатов анализа, как и в молекулярной абсорбционной спектроскопии и предопределили раз витие люминесцентного метода анализа. Остановимся на рассмотрении фотопроцессов в молекулах.
Основные характеристики молекулярной люминесценции
Важнейшими характеристиками фотолюминесценции молекул яв ляются спектры люминесценции и возбуждения люминесценции. Спек тром люминесценции называется зависимость интенсивности люминес центного излучения от длины его волны (при постоянных длине волны и интенсивности возбуждающего излучения), а спектром возбуждения лю минесценции — зависимость интенсивности люминесценции от длины волны возбуждающего излучения. Спектры возбуждения люминесценции по форме совпадают со спектрами поглощения (различия возможны только вследствие инструментальных искажений).
Люминесценция вещества возникает за счет поглощения им энергии возбуждения. Однако в энергию люминесценции превращается не вся поглощенная энергия возбуждения. Эффективность преобразования энер гии возбуждения в энергию люминесценции характеризуют выходом люминесценции. Энергетический выход люминесценции определяется отношением излучаемой молекулами вещества энергии Ее к поглощенной ими энергии возбуждения Еа:
Для фотолюминесценции вводится также понятие квантового выхода, представляющего собой отношение числа квантов люминесценции Ne к числу поглощенных квантов возбуждающего излучения N„:
Так как энергия кванта равна hv, то междуквантовым и энергетическим выходами существует соотношение:
<Рк =Я>Е<<К1К ) ^ |
<Рк =(*’£(v, /v .). |
(11.61) |
где Ле, ve — длина волны и частота испускаемого кванта; Ла, ve — длина волны и частота поглощенного кванта.
Выход люминесценции является характеристическим параметром ве щества при фиксированных условиях и значениях внешних параметров. Уменьшение выхода люминесценции называют тушением люминесценции. Используемые в анализе люминофоры имеют квантовый выход более 0,01.
Важной характеристикой [юминесценции является ее длительность. Она представляет собой средней промежуток времени, в течение которо го молекулы люминофора ост#отся в возбужденном состоянии. Именно поэтому указанную характеритику также называют средним временем жизни возбужденного сост ой ся. Обычно время пребывания молекул люминофора в возбужденном сотоянии невелико и составляет 1(Г1 0 — 10~ 7 с. Однако иногда они могут пре<ывать в возбужденном состоянии значи тельно больший промежуток врмени — от 1 0 ^ до 1 0 2 с.
Электронные переходы в возбужденной молекуле, т ипы люминесценции
По длительности и с п е к т р а л ному составу молекулярную люминесцен цию можно разделить на краткоременную и замедленную флуоресценцию и фосфоресценцию. Чтобы понять роисхождение различных видов люминес ценции, необходимо рассмотреть какие переходы осуществляются в моле куле при поглощении ею квантов озбуждающего излучения.
Обратимся к схеме энергепческих уровней молекулы, представлен ной на рис. 11.57. Основное сосояние молекулы с четным числом элек тронов является синглетным и оРзначается SQ. В этом состоянии энергия
^ 2
Рис. 11.57.Диаграмма энергетических урвней и электронных переходов в молекуле:
S0 — основное синглетиое состояние;?! и S2 — первое и второе возбужденные синглетные состояния; Т\ — триплетнс состояние; Т4- — излучательные перехо ды; — безызлучательиые переходы; 1 и Е2— энергии поглощенных фотонов 08
молекулы минимальна, все электроны спарены, а их спины антипаралдедьныПоглощение фотона с энергией Е\ сопровождается возбуждени ем молекулы и переходом электрона за время ~ 1 0 “ 1 5 с на более высокий синглетный уровень S x без изменения спина. Возбужденная молекула обладает некоторым избытком колебательной энергии. Этот избыток вследствие колебательной релаксации (КР) молекулой теряется в виде тепловой энергии, а сама молекула за время 1 (Г1 2 с оказывается на ниж нем колебательном уровне первого возбужденного состояния Si. Энергия поглощенного фотона Ег может оказаться достаточной для перевода мо лекулы и на более высокий уровень — S2. Вследствие внутренней кон версии (ВК), обусловленной перекрыванием колебательных уровней, и колебательной релаксации (КР) молекула за время ~10“и с оказывается, как и в первом случае, на нижнем колебательном уровне состояния Si. Поскольку состояние S x отделено от основного состояния S0 значитель ным энергетическим интервалом, безызлучательная дезактивация энер гии за счет внутренней конверсии (ВК) и колебательной релаксации (КР) затруднена и становится возможной прямая излучательная дезактивация с флуоресценцией (Фл). Испускание фотонов флуоресценции происходит при переходе электрона с нулевого колебательного уровня состояния S] на любой колебательный уровень основного состояния S0. Флуоресцен ция является кратковременным излучением с длительностью Ю~1 0 — 1 0 “ 7 с и наблюдается при комнатной температуре. Энергия фотонов флуорес ценции меньше энергии фотонов поглощения.
С очень малой вероятностью электрон возбужденной молекулы мо жет изменить свой спин. Такое состояние называется триплетным и обо значается Тх. Его энергия ниже энергии соответствующего синглетного состояния S\. Безызлучательный переход между синглетным S\ и три плетным Т\ состояниями называется интеркомбинационной конверсией (ИКК). Этот переход происходит за время 10“ 9 — 10“ 7 с и может конкури ровать с флуоресценцией, полностью подавляя последнюю. Молекула, перешедшая в результате интеркомбинационной конверсии на возбуж денный колебательный уровень триплетного состояния, быстро релаксирует (КР) до самого низшего колебательного состояния Тх. При опреде ленных условиях (обычно при температуре -196 °С, в отсутствие пара магнитных молекул) для триплетных молекул оказывается возможным запрещенный переход с уровня Тх на уровень S0 с излучением фотонов фосфоресценции (Фс). Это излучение имеет значительно большую дли тельность 10"*— 102 с. Энергия фотонов фосфоресценции меньше энергии фотонов кратковременной флуоресценции.
Помимо флуоресценции и фосфоресценции существует еще один вид люминесценции, который идентичен по спектральному составу флуоресценции, но характеризуется длительностью, свойственной фос форесценции. Этот вид люминесценции называют замедленной флуорес
