Методы спектрального анализа

Количественный МСА по спектрам поглощения основан на Бугера - Ламберта - Бера законе, устанавливающем связь между интенсивностями падающего и прошедшего через вещество I света от толщины поглощающего слоя I и концентрации вещества с:

? I(l)=I0e-ccl

Коэффициент c является характеристикой поглощающей способности определяемого компонента для данной частоты излучения. Важное условие проведения количественного МСА - независимость c от концентрации вещества и постоянство c в измеряемом интервале частот, определяемом шириной щели спектрофотометра. МСА по спектрам поглощения проводят преимущественно для жидкостей и растворов, для газов он значительно усложняется.

В практическом МСА обычно измеряют т. н. оптическую плотность:

D = In (/о//) = cсl.

Если смесь состоит  из n веществ, не реагирующих друг с другом, то оптическая плотность смеси на частоте n аддитивна: . Это позволяет проводить полный или частичный анализ многокомпонентных смесей. Задача в этом случае сводится к измерению значений оптической плотности в m точках спектра смеси (m ³ n) и решению получаемой системы уравнений:

Для количественного  МСА обычно пользуются спектрофотометрами, позволяющими производить измерение /(n) в сравнительно широком интервале n . Если полоса поглощения исследуемого вещества достаточно изолирована и свободна от наложения полос др. компонент смеси, исследуемый спектральный участок можно выделить, например, при помощи интерференционного светофильтра. На его основе конструируют специализированные анализаторы, широко используемые в промышленности.

При количественном МСА по спектрам КРС чаще всего интенсивность линии определяемого компонента смеси сравнивают с интенсивностью некоторой линии стандартного вещества, измеренной в тех же условиях (метод "внешнего стандарта"). В др. случаях стандартное вещество добавляют к исследуемому в определённом количестве (метод "внутреннего стандарта" ).

Среди др. методов  качественного и количественного  МСА наибольшей чувствительностью  обладает флуоресцентный анализ, однако в обычных условиях он уступает методам  колебательной спектроскопии в  универсальности и избирательности. Количественный МСА по спектрам флуоресценции основан на сравнении свечения раствора исследуемого образца со свечением ряда эталонных растворов близкой концентрации.

Особое значение имеет МСА с применением техники  замороженных растворов в специальных  растворителях, например парафинах (см. Шпольского эффект). Спектры веществ в таких растворах (спектры Шпольского) обладают ярко выраженной индивидуальностью, они резко различны для близких по строению и даже изомерных молекул. Это позволяет идентифицировать вещества, которые по спектрам их флуоресценции в обычных условиях установить не удаётся. Например, метод Шпольского даёт возможность осуществлять качественный и количественный анализ сложных смесей, содержащих ароматические углеводороды. Качественный анализ в этом случае производят по спектрам люминесценции и поглощения, количественный - по спектрам люминесценции методами "внутреннего" и "внешнего" стандартов. Благодаря исключительно малой ширине спектральных линий в спектрах Шпольского в этом методе удаётся достигнуть пороговой чувствительности обнаружения некоторых многоатомных ароматических соединений (~ 10~11 г/см3).

Факторы, влияющие на точность спектрального анализа.

Резкие квазилинейчатые  спектры люминесценции (и поглощения) обладают рядом особенностей, которые  позволяют эффективно использовать их в аналитических целях. Эти  особенности квазилинейчатых спектров люминесценции сделали их наиболее тонким и точным современным аналитическим  методом и указывают на целесообразность и перспективность применения его  для спектрохимического анализа  многокомпонентных природных смесей[6,7].

1. СпецифичностьТонкость, многочисленность и индивидуальное расположение полос в спектре люминесценции каждого углеводорода позволяют осуществить достоверную идентификацию.

2. СелективностьПозволяет обнаруживать индивидуальные соединения в сложных смесях, когда доля вещества так мала, что спектр флуоресценции при обыкновенной температуре дает лишь слабый намек или вообще не дает указаний на его присутствие.

3. ЧувствительностьЧувствительность обнаружения индивидуального углеводорода в «чистых» растворах н-парафинов достигает [7]. Т. е. превосходит на 2-3 порядка чувствительность обычного люминесцентно-спектрального анализа при комнатной температуре и намного превосходит чувствительность методов колебательных спектров.

С помощью квазилинейчатых  спектров возможно определение отдельных  индивидуальных органических соединений (одновременно 4-5 веществ) в многокомпонентных  смесях даже тогда, когда они входят в смесь в виде следов и анализ другими методами невозможен.

Анализ имеющихся  экспериментальных данных показывает, что характер квазилинейчатого спектра  зависит от условий образования  смешанного кристалла (растворитель - вещество). Оптические свойства образовавшегося  поликристаллического раствора определяются свойствами растворителя, условиями  кристаллизации раствора, наличием люминесцирующей  примеси, характером взаимодействия между  ними и содержанием в растворе других компонент.

Растворители. Для  получения дискретных спектров флуоресценции  и поглощения ароматических углеводородов  удобными растворителями оказались  нормальные парафины, хотя в ряде исследований была показана пригодность для этих целей других жидкостей, кристаллизующихся при замораживании: Для каждого соединения удается подобрать один или группу н-парафинов, в которых условия для возникновения квазилинейчатых спектров наиболее благоприятны. В частности, для соединений с линейной структурой (полиацены, полифенилы, дифенилполиены и т.д.) наиболее резкие спектры наблюдаются в тех случаях, когда линейные размеры молекул растворителя близки к линейным размерам молекул примеси. Меняя растворитель, удается выделить квазилинейчатые спектры различных компонент смеси.

Концентрации. Выбор  оптимальных концентраций исследуемого вещества в «чистом» растворителе диктуется  следующими соображениями. Как отмечалось ранее в ряде работ [6,7], квазилинейчатый  характер имеют спектры молекул, находящихся в замороженном растворе в состоянии так называемого  «ориентированного газа», т. е. для  этого необходимы небольшие концентрации примесных молекул. Увеличение концентрации приводит к возникновению взаимодействия между молекулами примеси, к миграции энергии между различными компонентами сложной смеси и, возможно, к образованию агрегатов примесных молекул. Это в свою очередь способствует «размыванию» спектра и появлению полос в более длинноволновой области.

Существуют данные о влиянии примеси и на характер кристаллической структуры матрицы, возникающей при замораживании. Под влиянием высоких концентраций растворенного вещества в некоторых  участках происходит перестройка матрицы - растворителя, что приводит к изменению  характера квазилинейчатого спектра растворенных молекул.

Скорость охлаждения. В ряде работ [7, 32] показано, что характер и структура квазилинейчатых  спектров сильно зависят от скорости охлаждения раствора. Обычно кюветы или  пробирки с исследуемым раствором  быстро погружаются в жидкий азот. В таком случае говорят о быстром  замораживании. Однако скорость замораживания  раствора существенно зависит от объема и формы кюветы. Можно предположить, что наружные слои раствора замерзают  довольно быстро, а внутренние могут  промерзать значительное время. В результате условия образования кристаллического раствора в разных частях кюветы неодинаковы, что сказывается на характере  спектра излучения и еще сильнее  на спектре поглощения. В тонких слоях (100 мкм и меньше) кристаллизация проходит быстрее, и это может  приводить к существенным спектральным изменениям[37].

Влияние кислорода. Известно, что все растворители при  комнатной температуре и атмосферном  давлении содержат то или иное количество растворенного в них кислорода. Так, например, в н-гексане при этих условиях растворено кислорода. Известно также, что люминесценция полициклических ароматических углеводородов в растворе н-парафинов при комнатной температуре подвержена сильному кислородному тушению. Например, люминесценция 3,4-бензпирена и 1,12-бензперилена в н-гексане при комнатной температуре тушится кислородом в 10 раз. Однако при понижении температуры раствора до 77°К растворенный в н-гексане кислород перестает оказывать влияние на интенсивность квазилиний флуоресценции этих соединений. Но при замораживании раствора в открытой кювете происходит сильная конденсация газообразного кислорода из окружающего воздуха, что приводит к частичному падению интенсивности люминесценции в результате воздействия конденсированного кислорода на люминесцирующие молекулы .

Условия возбуждения. Для возбуждения люминесценции  образца необходимо, чтобы длина  волны возбуждающего света попадала в область поглощения исследуемой  молекулы. Выбор оптимальных условий  возбуждения для данной смеси  можно производить также с  помощью спектров возбуждения. Возбуждение  свечения исследуемого раствора длинами  волн, соответствующими наиболее интенсивным  полосам спектра возбуждения, будет  давать наиболее интенсивные и частично дифференцированные спектры люминесценции сложной смеси.

Мультиплетность. Квазилинейчатые  спектры обладают своеобразной особенностью: в целом ряде случаев каждому  электронно-колебательному переходу в  спектре соответствует группа линий, повторяющихся часто по всему  спектру и получивших название мультиплетов. Одной из причин возникновения мультиплетов является наличие нескольких типов  излучающих центров,- находящихся в  различных локальных условиях, что  приводит к смещению электронных  уровней, в то время как расположение колебательных подуровней при этом остается неизменным . Объяснение происхождения мультиплетной структуры спектров не исчерпывается гипотезой разных центров. Некоторые из компонент мультиплета могут быть связаны с наличием близко расположенных уровней у одного и того же излучающего центра [7].

Учет влияния примесей в растворителе. Растворители, используемые для получения квазилинейчатых  спектров, могут содержать как  растворимые, так и нерастворимые  примеси. Растворимые примеси могут  обладать собственной люминесценцией и могут выступать в роли так  называемого внутреннего фильтра, когда они поглощают или возбуждающий свет, или люминесценцию исследуемых  молекул. При высоких концентрациях  такие примеси могут участвовать  во всевозможных процессах миграции энергии между компонентами раствора, а также способствовать перестройке матрицы растворителя и т.д.

На нерастворимых  и плохо растворимых примесях при обычном способе замораживания  раствора, как на центрах кристаллизации, может происходить быстрый рост кристаллов н-парафина, и тем самым могут создаваться условия, как бы имитирующие ускоренное замораживание со всеми его преимуществами. Роль таких примесей становится еще более эффективной, если они могут служить акцептором - энергии возбуждения агрегатов исследуемых молекул в случае высокой концентрации последних. Попадание примеси в агрегации и кристаллы исследуемых молекул приводит к исчезновению диффузных спектров агрегатов, наложенных на квазилинии, что значительно облегчает анализ. При проведении анализа иногда бывает целесообразно специально вносить такие примеси в исследуемую смесь .

Влияние предварительного облучения. Известно, что некоторые[6] органические соединения под влиянием облучения ультрафиолетовым светом испытывают фотохимические превращения. Поэтому во время анализа сложных смесей таких соединений при рассмотрении их растворов под ультрафиолетовой лампой при комнатной температуре или во время установки ампулы (кюветы, пробирки) с раствором в дьюаре с жидким азотом облучение исследуемого объекта необходимо свести к минимуму, т. е. рассматривать под УФ-лампой минимальное время и устанавливать ампулу в дьюаре при перекрытом пучке ультрафиолетового излучения. Аналогично время рассмотрения хроматограмм на колонке, в тонком слое и на бумаге под ультрафиолетовыми лучами необходимо также свести к минимуму. Фотохимические превращения в растворах сложных углеродистых смесей могут происходить и под воздействием рассеянного дневного света. В работе Р..И. Персонова [31] описано, как в растворе перилена в хлороформе после 15-минутного облучения рассеянным дневным светом обнаружилось присутствие не перилена, а неизвестного соединения, квазилинейчатый спектр люминесценции которого сдвинут по отношению к спектру перилена в более длинноволновую сторону. Автор предполагает, что этот спектр мог принадлежать одному из хлор-производных перилена, образовавшемуся в хлороформе под воздействием дневного облучения. Под воздействием возбуждающего излучения в исследуемом веществе могут возникать различные процессы, приводящие к ошибкам в анализе. Остановимся на процессах, носящих двухквантовый характер.

+ можно оттуда  все написать…в начале, какбы вступление http://ru.wikipedia.org/wiki/Спектральный_анализ