3. Качественный и количественный анализ в абсорбционной спектроскопии

Качественный анализ

Спектр поглощения, то есть графическая запись процесса поглощения излучения относительно длины волны или, соответственно, частоты света, дает информацию касательно того, о каком именно веществе идет речь. Разные вещества, описан­ные через формулы химического строения, различаются своими структурами — атомной, пространственной и электронной. Поэтому каждое вещество по-своему реагирует на электронное, колебательное или вращательное возбуждение, форми­руя характерный только для него спектр. Таким образом, у каждого вещества его спектр поглощения столь же индивидуален, как и отпечатки пальцев у человека.

В случае смеси веществ получают суммарный спектр на основе всех содержа­щихся в этой смеси компонентов. С математической точки зрения здесь возникает проблема одного уравнения с n неизвестными (одного спектра с n веществами). Если области поглощения входящих в состав смеси веществ накладываются друг на друга, то по суммарному спектру не удастся сделать вывод о виде и количестве отдельных компонентов. И только если области поглощения в суммарном спект­ре не будут перекрываться, отдельные вещества в принципе могут быть иденти­фицированы.

Особая ситуация возникает, когда известны n^-1 веществ и их спектры погло­щения. На основе специальных вычислений с помощью ПК сегодня не составля­ет труда вычесть эти известные спектры из полученного суммарного спектра, и тогда мы получим спектр неизвестного вещества.

С другой стороны, регистрация спектра вещества может быть предложена в качестве ускоренного метода для определения его чистоты, ибо по виду спектра обычно легко обнаружить присутствие определенного количества примесей. Из­вестно, что чистые соединения дают узкие, хорошо разрешенные пики, а наличие в пробе нескольких компонентов приводит к широким, плохо разрешенным по­лосам из-за слияния близко расположенных линий индивидуальных соединений.

Количественный анализ

В основе количественного анализа лежит закон Ламберта - Бера, то есть опреде­ление оптической плотности при той длине волны, при которой исследуемое вещество поглощает свет. Этот закон справедлив для всех видов светопоглощения, то есть как для электронного, так и для колебательного и вращательного спо­собов возбуждения. Между тем, в силу разных причин, в реальности возможны здесь так называемые истинные и мнимые отклонения.

Следует иметь в виду, что в строгом смысле закон Ламберта - Бера имеет силу только в отношении монохроматического света и идеальных растворов (концентрация 0), поскольку молярный коэффициент поглощения  только в том слу­чае может быть не зависим от концентрации, если на состояние поглощающих молекул не влияют (в зависимости от концентрации) разного рода межмолеку­лярные взаимодействия, как то: диссоциация, комплексообразование, измене­ние степени сольватации и т.д. На практике в большинстве случаев можно полу­чить хорошую линейную зависимость между оптической плотностью и концент­рацией до величины оптической плотности порядка 1,000: выше этого значения отмечается все возрастающее отклонение от линейного закона. При необходимо­сти результатов очень высокой точности анализы лучше всего проводить с опти­ческими плотностями < 0,5. Применение закона Ламберта - Бера осуществляет­ся согласно следующим двум уравнениям:

 = А/(сd)

c = А/(d)

Такое уравнение позволяет вычислить концентрацию с вещества на основе измеренной оптической плотности А если известен молярный коэффициент по­глощения этого вещества. Определение концентрации целесообразнее всего осу­ществлять при длине волны максимума полосатого спектра.

Однако на практике чаще всего поступают таким образом, что определяют оптическую плотность £ на растворах разных известных концентраций с и графи­чески наносят на диаграмму величины Е относительно величин с. При действии закона Ламберта — Бера, если принять толщину слоя d за постоянную величину, получают прямую линию (так как е есть константа), и в идеальном варианте эта прямая проходит через нулевую точку, как это видно на рис.9.

Рис. 9. Градуировочный график для количественного анализа на основе двух стан­дартов

Поскольку в абсорбционной спектроскопии определяют только ослабление света I относительно исходной интенсивности I_о, то всегда приходится проводить два отдельных измерения для обеих интенсивностей света. То есть определяют сна­чала I_о, измеряя интенсивность эмиссионного излучения, поступающего на детек­тор от источника без пробы в поглощающей ячейке. Соответствующий сигнал ус­танавливается на индикации прибора (раньше - на аналоговой, теперь — на циф­ровой) на 100%-пропускание или, соответственно, на оптическую плотность 0,000. Все современные устройства располагают для этой цели кнопкой «автоматическо­го нуля» (Autozero). Затем соответствующее измерение проводится с пробой в по­глощающей ячейке и определяется ослабленная поглощением интенсивность I. Принцип количественного анализа наглядно представлен в схеме на рис. 9.

Такого графического представления на миллиметровой бумаге при наличии современных устройств уже не требуется. Иногда прибегают к «вводу фактора», имея в виду А = фактор  с, так что на индикации прибора появляется в качестве показания не оптическая плотность, а только что найденная концентрация. При компьютеризованном оборудовании градуировочный график с установленным стандартным отклонением может индицироваться на экране ПК.

Количественное определение какого-либо компонента в растворе предпола­гает, что этот компонент имеет полосу поглощения при длине волны , при кото­рой данный абсорбер не поглощает вовсе либо способен лишь на минимальное поглощение. С другой стороны, можно определять также концентрации несколь­ких компонентов А, В и С последовательно друг за другом, если хотя бы одна по­лоса поглощения каждого из них не перекрывается (или перекрывается лишь не­значительно) полосами поглощения прочих компонентов.

Смеси нескольких абсорбирующих веществ пригодны для количественного анализа при условии отсутствия взаимного влияния возможных поглощений. В та­ком случае устанавливается общая оптическая плотность смеси как сумма парци­альных оптических плотностей отдельных компонентов. В итоге для смеси с n ком­понентами получают уравнение с п неизвестными (с₁, с₂, ..., с_n):

А = log(I_o/I) = (₁c₁ + ₂c₂ +…+ _nc_n)d

что позволяет осуществлять определение индивидуальных концентраций путем измерения оптической плотности при п разных длинах волн.