Методы спектрального анализа

     Фотографическая  спектрофотометрия применяется сравнительно редко. Спектр поглощения раствора или паров в видимой или ультрафиолетовой области фотографируется при помощи спектрографа. Для фотометрирования либо получают спектры при помощи специальных приспособлений (раздвоителей пучков света), дающих на пластинке один под другим спектры источника с заданным ослаблением и поглощением пробы, либо используют технику фотографического фотометрирования.

     Фотоэлектрическая спектрофотометрия в настоящее время является основным типом абсорбционного молекулярного анализа, применяемым в исследовательских и промышленных лабораториях. В спектральном приборе (монохроматоре) за выходной щелью располагается фотоэлектрический приемник излучения. Перед входной щелью ставится кювета с пробой. На приемник последовательно падает свет от источника сплошного спектра без пробы и свет, прошедший пробу. Фототок усиливается, и с измерительного прибора можно снимать значения оптической плотности образца (нерегистрирующие спектрофотометры) . Регистрирующие спектрофотометры автоматически записывают кривую пропускания или оптической плотности. Надо отметить, что для многих целей технического анализа при массовом контроле однотипных проб возможно применение упрощенных спектрофотометров, где выделение спектральной области производится интерференционными светофильтрами или фокальным монохроматором.

Фотоэлектрическая спектрофотометрия позволяет решать задачу непрерывного автоматического контроля производства красителей, витаминов и других материалов по ходу технологического процесса. Для этой цели на заранее выбранном этапе технологического процесса производится спектрофотометрирование при помощи фотоэлектрических спектрофотометров, показания которых можно передать на диспетчерский пункт завода для регулировки технологического процесса. Показания спектрофотометра можно связать с системой автоматического управления процессом.

      Спектрофотометрия в инфракрасной области спектра (от 1 до 40—50 мкм). Анализ проводится по колебательно-вращательным спектрам, которые при решении многих задач характернее электронных в видимой и ультрафиолетовой областях, чем определяется широкое распространение этого вида молекулярного спектрального анализа. Техническими средствами являются регистрирующие спектрометры и спектрофотометры. Для проведения анализа необходимо знать спектр определяемого соединения; в этом, однако, заключается специфическая трудность анализа в инфракрасной области, так как для молекулярных соединений, число которых необозримо, составление исчерпывающих спектральных таблиц практически неосуществимо. В целях развития молекулярного спектрального анализа в настоящее время ведется регулярная работа по накоплению и систематизации данных по инфракрасным спектрам поглощения для различных химических соединений.

     Эмиссионный молекулярный спектральный анализ

Широко используются два типа анализа: комбинационный и  люминесцентный.

       Эмиссионный спектральный анализ (ЭСА) является способом обнаружения химических элементов и исследования состава сложных химических веществ, основанным на изучении спектров испускания нагретых до температуры свечения объектов. Метод используется при анализе лаков и красок, различных металлов, сплавов, полимерных материалов, волокон, стекол, керамики, почв, растительных материалов, волос и т.д. Например, эффективно применение эмиссионного спектрального анализа для обнаружения комплекса металлов, входящих в состав продуктов близкого выстрела и определения их количественного содержания в следах выстрела. Следует иметь в виду, что ЭСА относится к разрушающим методам и применяется в последнюю очередь, когда другие методы не принесли успеха.

   Основные  стадии анализа: 

  1. Перевод вещества  в газообразное состояние. 

  2. Возбуждение  атомов вещества.

  3. Получение спектра,  т.е. разложение излучения на  отдельные составляющие.  

  4. Регистрация  спектра. 

  5. Измерение длины  волны спектральных линий и  определение (по специальным таблицам) их принадлежности тому или  иному химическому элементу - качественный  анализ.

  6. Измерение интенсивности  излучения данной длины волны  и определение количественного  содержания данного элемента  в исследуемом образце - количественный  анализ.

  Спектральная  установка состоит из источника  ионизации, диспергирующего и регистрирующего устройств. Источник ионизации - обычно электрическая дуга - выполняет сразу две функции: переводит вещество в парообразное состояние и возбуждает спектр излучения полученного пара. Излучение через диафрагму и дополнительное зеркало попадает на призму или дифракционную решетку, где разлагается на отдельные спектральные линии. Регистрация спектра может осуществляться визуально (в окуляре спектроскопа), а также фотографическим либо фотоэлектрическим путем.

  Для установления  наличия элемента в пробе достаточно  в многолинейчатом спектре обнаружить несколько линий, характерных именно для этого элемента. Процесс измерения длин волн линий спектра и определения их принадлежности конкретным элементам называется расшифровкой спектра. Измерив длины волн, можно по таблицам определить их принадлежность конкретным элементам.

Анализ по спектрам комбинационного рассеяния . Исследуемое вещество в жидком виде или в виде раствора помещается в специальной стеклянной кювете и освещается светом сильных ртутных ламп. Возникающее в веществе комбинационное свечение анализируется при помощи светосильного спектрального прибора.

Спектр комбинационного  рассеяния обычно наблюдается от голубой (4358А), иногда зеленой (5461 А) и редко от желтых линий (5770/5790 А) ртутного спектра. Зеленая и желтая линии используются главным образом для анализа проб, которые сильно рассеивают свет (мутные жидкости, твердые порошки).

Положение комбинационных линий относительно возбуждающей ртутной  линии, их интенсивности, полуширины и  степень поляризации характеризуют  спектр комбинационного рассеяния  данной молекулы. По таким спектрам можно проводить качественный и  количественный анализы молекулярных соединений, если из ранее проведенных  опытов их комбинационные спектры известны. Вследствие многочисленности химических соединений таблицы их спектров не могут быть исчерпывающими и должны непрерывно пополняться.

В связи с малой  интенсивностью линий комбинационного  рассеяния для их получения используются светосильные спектрографы. Однако и  в этом случае для получения достаточно четких спектров необходимы длительные экспозиции. В последнее время  стала развиваться фотоэлектрическая  методика регистрации спектров комбинационного  рассеяния. В этом случае излучение  принимается светосильным монохроматором, за выходной щелью которого расположен фотоумножитель; фототок после усиления регистрируется самописцем. При записи спектр перемещается по выходной щели монохроматора при помощи вращения диспергирующей системы (принцип сканирования спектра). Сочетание светосильных монохроматоров с ФЭУ, обладающими большой чувствительностью, позволяет быстро записывать слабые спектры комбинационного рассеяния вместо нескольких часов экспозиции при фотографировании.

     Люминесцентный анализ основан на исследовании излучения флуоресценции и фосфоресценции главным образом твердых и жидких проб при воздействии на них ультрафиолетового или корпускулярного излучения. Особенно широкое распространение получил анализ на основе наблюдения фотофлуоресценции. В этом случае проба освещается ультрафиолетовым излучением ртутной лампы через черное увиолевое стекло; этот фильтр пропускает невидимое излучение яркой ртутной линии 3650А и других близлежащих линий и устраняет видимый свет лампы. Под действием ультрафиолетовых лучей проба или ее отдельные части (в случае неоднородных проб, например, минера-1 лов, порошков) начинают светиться характерным светом. Цвет этого свечения и его интенсивность являются аналитическими признаками, позволяющими производить качественный и количественный анализы. В ряде случаев применяется спектральное разложение свечения флуоресценции; суждение о составе и концентрации делается на основе изучения спектрального состава излучения.

     Явление  флуоресценции характеризуется  следующими свойствами, определяющими  его аналитические возможности.  Под действием коротковолнового  излучения возбуждаются электронные  оболочки люминесцентных молекул,  присутствующих в веществе пробы;  необходимо поэтому, чтобы возбуждающее  излучение находилось внутри  полосы поглощения исследуемых  молекул. Возбужденные молекулы  начинают излучать свет, максимум  спектра которого сдвинут в  сторону длинных волн по отношению  к максимуму спектра поглощения; вследствие этого обычно длины  волн спектра люминесценции больше, чем длина волны возбуждающего  света. Однако часть энергии,  поглощенной молекулами вещества, при некоторых условиях может  до излучения распределиться  по другим степеням свободы  молекул, при этом происходит  тушение флуоресценции. Оно связано  как со свойствами самого люминесцентного  вещества, так и со свойствами  растворителя и особенно сильно  развивается при больших концентрациях  люминесцентного вещества в растворе (концентрационноетушение).

Люминесцентный анализ  по спектрам флуоресценции обладает исключительно высокой чувствительностью: например, атомы урана обнаруживаются в ничтожных концентрациях до 10-8— 10-6 %, в то время как эмиссионный  элементный анализ обнаруживает только 10-4 —10-3 %. Однако столь высокая чувствительность люминесцентного анализа приводит к серьезным трудностям: достаточно незначительной примеси постороннего вещества, также способного люминесцировать, чтобы его свечение обнаруживалось в наблюдаемом спектре и искажало результаты визуального определения, когда анализ проводится без спектрального разложения.

Молекулярный  спектральный анализ (МСА)

В основе МСЛ лежит  качественное и количественное сравнение  измеренного спектра исследуемого образца со спектрами индивидуальных веществ. Соответственно различают  качественный и количественный МСА. В МСА используют различные виды молекулярных спектров, вращательные [спектры в микроволновой и длинноволновой инфракрасной (ИК) областях], колебательные и колебательно-вращательные [спектры поглощения и испускания в средней ИК-области, спектры комбинационного рассеяния света (КРС), спектры ИК-флуоресценции], электронные, электронно-колебательные и электронно-колебательно-вращательные [спектры поглощения и пропускания в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях, спектры флуоресценции]. МСА позволяет проводить анализ малых количеств (в некоторых случаях доли мкг и менее) веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Основные факторы, определяющие возможности методов МСА:

1) информативность  метода. Условно выражается числом  спектрально разрешаемых линий  или полос в определённом интервале  длин волн или частот исследуемого  диапазона (для микроволнового  диапазона оно ~ 105, для средней ИК-области в спектрах твёрдых и жидких веществ ~ 103);

2) количество измеренных  спектров индивидуальных соединений;

3) существование  общих закономерностей между  спектром вещества и его молекулярным строением;

4) чувствительность и избирательность метода;

5) универсальность  метода;

6) простота и доступность измерений спектров.

Качественный МСА  устанавливает молекулярный состав исследуемого образца. Спектр молекулы является его однозначной характеристикой. Наиболее специфичны спектры веществ  в газообразном состоянии с разрешенной  вращательной структурой, которые исследуют  с помощью спектральных приборов высокой разрешающей способности. Наиболее широко используют спектры  ИК-поглощения и КРС веществ в жидком и твёрдом состояниях, а также спектры поглощения в видимой и УФ-областях. Широкому внедрению метода КРС способствовало применение для их возбуждения лазерного излучения.

Для повышения эффективности  МСА в некоторых случаях измерение  спектров комбинируют с др. методами идентификации веществ. Так, всё  большее распространение получает сочетание хроматографического разделения смесей веществ с измерением ИК-спектров поглощения выделенных компонент.

К качественному МСА относится также т. н. структурный молекулярный анализ. Установлено, что молекулы, имеющие одинаковые структурные элементы, обнаруживают в спектрах поглощения и испускания общие черты. Наиболее ярко это проявляется в колебательных спектрах. Так, наличие сульфгидрильной группы (-SH) в структуре молекулы влечёт за собой появление в спектре полосы в интервале 2565-2575 см-1, нитрильная группа (-CN) характеризуется полосой 2200-2300 cм-1 и т. д. Присутствие таких характеристических полоса колебательных спектрах веществ с общими структурными элементами объясняется характеристичностью частоты и формы многих молекулярных колебаний. Подобные особенности колебательных (и в меньшей степени электронных) спектров во многих случаях позволяют определять структурный тип вещества.

Качественный анализ существенно упрощает и ускоряет применение ЭВМ. В принципе его можно  полностью автоматизировать, вводя  показания спектральных приборов непосредственно  в ЭВМ. В её памяти должны быть заложены спектральные характеристические признаки многих веществ, на основании которых  машина произведёт анализ исследуемого вещества.