Лекція 3. Аналіз за спектрами випромінювання

План лекції

1. Характеристика полум'яної фотометрії.

2. Метод атомно-абсорбційного аналізу.

3. Люмінесцентний аналіз.

1. Полум'яна фотометрія – розділ атомно-емісійного спектрального аналізу. Основа методу – збудження в полум'ї спектру визначеного елемента та вимірювання інтенсивності світіння аналітичної лінії. Джерело випромінювання – полум'я. Розчин, що аналізується за допомогою розпилювача переводять в аерозоль і подають в полум'я пальника. Під дією високої температури випаровується розчинник, видаляється кристалізаційна вода, випаровуються тверді залишки, молекули яких розпадаються на атоми і, збуджуючись, випромінюють спектри. В полум’ї можливий аналіз не тільки рідких, а й твердих проб. Термічна енергія високотемпературного полум’я нижча енергії дуги або іскри. Тому в полум'ї збуджується тільки найбільш чутливі спектральні лінії з низьким потенціалом збудження. Число елементів, визначених цим методом, значно менше, ніж при збуджені електричним джерелом світла.

В полум'яному фотометрі будь-якого типу розрізняють три основні частини: системи збудження, виділення аналітичної спектральної лінії і системи реєстрування інтенсивності випромінювання лінії. Система збудження спектральних ліній складається з розпилювача і розпилювальної камери, полум’я і пальника. Паливом для пальника слугують горючі гази і газ-окислювач (пропано-бутанова або киснево-ацетиленова суміш).

Рис.3 Схема полум’яного фотометра:

1 – дослідний розчин; 2 – подача газа-окислювача; 3 – розпилювач; 4 –відстійник-змішувач; 5 – подача газа-палива; 6 – пальник; 7 – полум’я; 8 –дзеркало-конденсатор; 9 – монохроматор; 10 – фотоелемент; 11, 12 – підсилювач і звітно-реєструючий прилад.

Система виділення спектральної лінії складаються з світофільтрів і спектральних пристроїв – монохроматорів. Реєструючі системи об’єднують всі способи виявлення і реєстрації інтенсивності випромінювання спектральної лінії (фотоелементи, реєструючи пристрої). Пальники двох типів: не розпилюючі (ламінарні) і розпилюючі (турбулентні). Не розпилюючі пальники мають зовнішню розпилюючю систему. Утворені в ній аерозолі разом з газом-окислювачем подаються в конденсаційну камеру-змішувач, де змішуються з гарячим газом і потім подаються в полум’я пальника. Для стабілізування режиму горіння таких пальників необхідно збільшити швидкість стікання газів із сопла пальника. В пальниках турбулентного типу дослідний розчин втягується газом-окислювачем в капіляр і потім розпилюється в реакційну зону полум’я. В полум’ї розчинник випаровується, сіль розкладається, при цьому випромінюються електромагнітні хвилі певної довжини. За світлофільтром 9 проводять якісний аналіз, кожна речовина випромінює світло певної довжини хвилі. За допомогою фотоелемента і гальванометра проводять кількісний аналіз. Застосовується розрахунок за стандартом.

Переваги методу:можливо визначити 70 елементів з табл. Д.І. Менделєєва; для аналізу лужних металів використовують низько температурне полум’я (пропано-бутанова суміш) до 1500˚С; використовують в медицині для проведення аналізу Na, K, Ca в крові.

Недоліки методу: трудомісткість, потрібні газові суміші, небезпезпека у роботі з балонами.

2. Метод атомно-абсорбційного аналізу (AAA) заснований на резонансному поглинанні світла вільними атомами, що виникає при пропущенні пучка світла через шар атомного пара. Селективно поглинаючи світло на частоті резонансного переходу, атоми переходять з основного стану в збуджений, а інтенсивність проходить пучка світла на цій частоті експоненціально зменшується за законом Бугера-Ламберта.

При практичних вимірах зазвичай користуються значенням оптичної густини поглинання. У кількісному хімічному аналізі необхідно встановити зв'язок між коефіцієнтом поглинання і концентрацією атомів в поглинаючому шарі. У сучасній техніці атомно-абсорбційного аналізу використовуються два способи атомізації: атомізація в полум'ї і електричних атомізаторах.

Атомізація в полум'ї.Для отримання полум'я використовують різні комбінації горючих газів з окислювачами (водню, пропану або ацетилену з повітрям або оксидом нітрогену). Кисень в чистому вигляді майже не застосовують як окислювач, так як суміші горючих газів з ним мають дуже високу швидкість горіння, важко піддаються контролю. У практиці ААА найбільш застосовуються повітряно-ацетиленові суміші та полум'я оксиду нітрогену з ацетиленом. Ці дві газові суміші взаємно доповнюють один одного і спільно дозволяють визначати приблизно 70 елементів. Повітряно-пропанове полум'я придатне переважно для визначення лужних металів; кадмію, міді, свинцю, срібла і цинку. Утворення вільних атомів в полум'ї є наслідком великої сукупності процесів: отримання аерозолю з розчину дослідної проби; випаровування розчинника з крапельок аерозолю; випаровування твердих частинок аерозолю і дисоціація молекул на атоми; процеси збудження та йонізації атомів, утворення нових сполук в результаті реакцій з радикалами, аніонами, атомами Оксигену і Карбону, наявними в полум'ї.

Обмеження методу обумовлені іншими реакціями в полум'ї і малою тривалістю перебування частинок в ньому (10-3 с). Полум'я небезпечне в роботі і потребує витрат досить великих обсягів газоподібного пального і окислювача. Більш дешевими, безпечними і ефективними у багатьох відношеннях виявилися електротермічні атомізатори.

Атомізація в електротермічних атомізаторах. Дослідну пробу у вигляді розчину дозують мікропіпеткою в кількості 5-100 мкл через центральний отвір на стінку холодної печі, кінці якої закріплені всередині масивних графітових контактів. Піч постійно обдувається потоком аргону, що оберігає її від обгорання і сприяє видаленню випаровуваємої проби з атомізатора. Після висушування проба випаровується до атомів, і атомний пар заповнює всю трубку. Температура графітової печі регулюється спеціальним електронним пристроям з програмним управлінням. Зазвичай температурну програму за часом можна розділити на 3 етапи: висушування проби (випаровування ра-створітеля), озолення (піроліз органічних компонентів і видалення деяких інших компонентів матриці), атомізація, тобто власне випаровування і перехід визначається елемента в стан атомного пара. Кожному етапу відповідає своя оптимальна температура. Необхідність в такій ступінчастою температурної програмі пов'язана з тим, що на стадіях висушування і озолення часто спостерігається інший сигнал абсорбції, обумовлений розсіюванням зондуючого випромінювання димом, частинками золи.

Атомізація проби в графітовійї печі в залежності від фізико-хімічних особливостей елементів, що визначаються і матриць проби може відбуватися:

• проба спочатку випаровується з нагрітої поверхні атомизатора, потім дисоціює на елементи в газовій фазі;

• проба спочатку термічно дисоціює до відповідних оксидів, які потім відновлюються до металу, або вуглецем до твердофазної реакції на межі поверхонь: МО + С = М + СО або оксидом Карбону (ІІ) МО + СО = М + СО₂.

ААА з застосуванням електротермічного атомізатора забезпечує рекордно низькі межі виявлення по багатьом елементам (від десятих до десятитисячних часток нанограма в 1 мм розчину проби, досягаючи іноді значення 10^–12-10^–4 г. Для вимірювання атомної абсорбції застосовують однопроменеві і двопроменеві атомно-абсорбційні спектрофотометри.

3. Люмінесценція(лат. lumen – світло і escent – суфікс, що означає слабку дію) – надлишок над тепловим випромінюванням тіла, тривалість якого перевищує період світлових коливань (приблизно 10^-10с і більше). Люмінесценція здатна проявлятися при нижчих температурах, не використовує теплову енергію випромінюючої системи («холодне світіння»). Критерій тривалості, введений Вавіловим, дозволяє відрізнити люмінесценцію від інших видів нетеплового випромінювання: розсіювання і відбивання світла. Тривалість їх менше періоду коливання світлової хвилі (<10^-10 с). Раніше поняття «люмінесценція» відносили тільки до випромінювання видимого світла, сьогодні воно застосовується до випромінювання у ближньому УФ та ІК діапазонах. Фізична природа люмінесценції – випромінювальні переходи електронів зі збудженого стану у стійкий стан. Люмінофори – речовини, що здатні до світіння. Люмінесцентний метод аналізу заснований на здатності речовин випромінювати електромагнітні хвилі певної довжини під дією різноманітних факторів. Довготривала люмінесценція – фосфоресценція, короткотривала – флуоресценція(піко секунди-мілісекунди); за механізмом: резонансна, спонтанна, вимушена, рекомбінаційна; за типом збудження: фотолюмінесценція, кріо-, рентгено- (дія рентгенівських променів), катодо- (збудження електронним пучком), хемі-(в результаті хімічних реакцій); електро-(електричним полем); трібо- (механічними деформаціями), радіо- (проникаючою радіацією), йоно-(прискореними йонами), альфа-люмінесценція (збудження альфа-частинками).

Фосфоресценція виникає внаслідок опромінення речовини світлом, йонізуючим промінням, проходження крізь неї електричного струму, при хімічних реакціях, механічному впливі; пов'язана з існуванням в кристалі таких електронних станів, з яких можливі тільки заборонені оптичні переходи, які характеризуються великим часом життя. Флуоресценція (флюоресценція)виникає внаслідок опромінення речовини світлом, йонізуючим промінням, проходження крізь неї електричного струму, при хімічних реакціях, механічному впливі.

Фотолюмінесце́нція – світіння, яке виникає під дією світлових променів видимих і УФ частот (жорстке УФ випромінювання 200 нм). Фотозбудження застосовується для отримання люмінесценції рідких кристалів, скла, твердих порошків (кристалофосфорів), воно зручне для об'єктів з малими і середніми концентраціями люмінесцентної активної речовини. За значних концентрацій активаторів або в розчинах з поглинаючим розчинником воно збуджує тільки поверхневі шари речовини. Щільність УФ і видимих потоків випромінювання в сучасних джерелах збудження люмінесценції відносно невелика. Тому для фотолюмінесценції характерні середні і малі яскравості. Світло рідко використовується для збудження газів, оскільки щільність поглинаючих центрів незначна і при відносно малих потужностях фотозбудження інтенсивність люмінесценції слабка. Найпоширеніша – фотолюмінесценція. Окрім традиційних ефектів поглинання, відбивання та заломлення світла для цього методу характерні також резонансний ефект, флуоресценція і фосфоресценція. Резонансний ефект(резонансна флуоресценція) спостерігається в атомних парах (ртуті, натрію) у деяких простих молекул та в більш складних системах. Випромінювання має спонтанний характер, відбувається з того самого енергетичного рівня, який досягається при поглинанні енергії збуджуючого світла. При збільшенні щільності парів резонансна люмінесценція переходить у резонансне розсіювання.

Під дією кванта світла (h ₁) молекула переходить у збуджений стан, який характеризується енергією збудження (Е_зб). У цьому стані молекула перебуває нетривалий час, після закінчення якого повертається у свій стійкий стан, випромінюючи квант світла (h ₂). (рис. 4). Процес повернення молекули зі збудженого стану в стійкий з випромінюванням кванта світла називається дезактивацією. h ₁= h ₂.

Флуоресценція(від назви мінералу флюорит, у якого вперше була виявлена флуоресценція) – короткочасна (10^-8-10^-9 с), характерна для рідин і розчинів.

Під дією кванта світла (h ₁) молекула переходить у збуджений стан, який характеризується енергією збудження (Е_зб). При зіткненні зі сторонніми частинками молекула втрачає частину енергії у вигляді теплового кванта (h _т) і переходить на більш низький дозволений енергетичний рівень (Е_д), з якого можлива дезактивація. При поверненні молекули у стійкий стан випромінюється квант світла (h ₂). (рис.5). В цьому випадку h ₁> h ₂. Фосфоресценція триває значний час після припинення збудження, характерна для твердих речовин. Кристали, які здатні люмінесцирувати, – кристалофосфори. Під дією кванта світла (h ₁) молекула переходить у збуджений стан, який характеризується енергією збудження (Е_зб). При зіткненні зі сторонніми частинками молекула втрачає частину енергії у вигляді теплового кванта (h _т1) і переходить на заборонений енергетичний рівень (Е_з), з якого неможлива дезактивація. На цьому рівні молекула перебуває досить тривалий час, доки не отримає додатковий квант (h _т2) при зіткненні зі сторонніми частинками, який переводить її на дозволений енергетичний рівень (Е_д). При дезактивації випромі-нюється квант світла (h ₂). (рис.6).

Ефективність перетворення енергії поглиненого світла в енергію люмінесценції характеризується енергетичним і квантовим виходами. Відношення випромінюваної енергії люмінесценції (Е_л) до енергії поглиненого світла (Е_с) – енергетичний вихід люмінесценції (В_ен): , а відношення числа випромінюваних квантів (N_л) до числа поглинених (N_с) – квантовий вихід люмінесценції ( ): . Якщо прийняти , то .

Спектральна характеристика (рис. 7) – залежність випромінювання від довжини хвилі.

Якщо λ_зб, λ_л – положення максимуму відповідно лінії збудження та лінії люмінесценції, а I_зб та I_л – відповідноінтенсивність збудження і люмінесценції, то квантовий вихід люмінесценції буде мати вигляд:

Чим більший квантовий вихід, тим інтенсивніша люмінесценція, і тим менша кількість люмінесцируючої речовини може бути визначена за її світінням. Як правило . Це пов‘язано з процесами гасіння люмінесценції. Лінійна залежність інтенсивності люмінесценції від концентрації буде зберігатися при сталості квантового виходу, інтенсивності збуджуючого світла і ін. Суттєва умова – низька концентрація речовини. Під дією різноманітних факторів можливе відхилення від лінійності (рис.8), що зменшує квантовий вихід.

Види гасіння: – концентраційне (при великих концентраціях збільшення інтенсивності світіння непропорційне збільшенню концентрації); –температурне (з підвищенням температури від 60°С і більше зменшується вихід світіння). Вавілов С. розрізняв гасіння I і II роду. I рід гасіння пов‘язаний з процесами внутрішньо-молекулярних переходів, які можуть проявлятися як у збудженому, так і в незбудженому стані. Гасіння I роду не пов‘язане зі зміною тривалості світіння, а пов‘язане з переходом нелюмінесцируючої речовини у люмінесцируючу і навпаки. Гасіння II роду не пов‘язане з внутрішньо-молекулярними переходами, а супроводжується впливом зовнішніх факторів (температура, тиск, хімічні речовини, хімічні реакції). Негативний вплив на вихід люмінесценції чинять домішки. Гасіння люмінесценції лежить в основі деяких методик визначення домішок.

Дуже чутливими є люмінесцентні якісні реакції, коли додавання деяких органічних реагентів до розчину неорганічних речовин викликає яскраву люмінесценцію (додавання саліцилової кислоти до розчину солі цинку). Якісний люмінесцентний аналіз заснований на здатності досліджуваної речовини у відповідних умовах люмінесцирувати або гасити люмінесценцію. Виникнення або зникнення люмінесценції зазвичай спостерігається візуально. Перевагою люмінесцентних реакцій є їх винятково низька межа визначення. Також низьку межу визначення і селективність мають так звані реакції отримання кристалофосфорів (реакція утворення перлів бури і фосфатів).

Кількісний люмінесцентний аналіззаснований на використанні співвідношення, яке зв‘язує інтенсивність флуоресценції з концентрацією флуоресцируючої речовини. В межах концентрації речовин 10^-4-10^-6 г/мл залежність інтенсивності від концентрації прямолінійна. Кількісні виміри у флуориметрії засновані на використанні стандартних розчинів речовин (спосіб порівняння або калібрувального графіку). Якщо в якості розчину порівняння застосовується стандартний розчин речовини, то концентрацію досліджуваного розчину (С_х) розраховують за формулою: , де n₁, n₂, n_ст – відповідно показання флуориметру для досліджуваного розчину; контрольного розчину; стандартного розчину; С_ст – концентрація стандартного розчину.

Люмінесцентні індикатори ( -нафтіламін, акрідін) змінюють колір або інтенсивність люмінесценції в залежності від властивостей учасників реакції, pH розчину або присутності окисника. Їх застосування дозволило вирішити ряд складних аналітичних задач, пов‘язаних з аналізом мутних і забарвлених середовищ (фруктові соки, вина). Збільшується інтенсивність люмінесценції при заморожуванні розчинів, органічних речовин і комплексів металів з органічними лігандами. Для вивчення люмінесценції широко застосовують методи спектрофотометрії. На цих методах засновуються не тільки вимірювання спектрів люмінесценції, а й визначення виходу люмінесценції. Для дослідження люмінесценції велике значення має вимірювання релаксаційних характеристик, наприклад, загасання люмінесценції. Для вимірювання короткого часу загасання (10^-8-10^-9 с), застосовують флуориметри, різноманітні імпульсні методи. Вивчення релаксації тривалої люмінесценції, наприклад, кристалофосфорів, проводиться за допомогою фосфороскопів і тауметрів. Щоб спектри збудження і спектри світіння не накладалися один на одного, спостереження проводять під кутом 90°. Найпростіша схема спостереження аналогічна нефелометрії (рис. 9).

Рис.9. Схема спостереження люмінесценції: 1 – джерело випромінювання; 2 – первинний світлофільтр; 3 – кювета; 4 – реєстратор.

Схема флуориметра представлена на рис. 10. Світло від джерела випромінювання (ртутно-кварцева лампа) проходить через первинний світлофільтр 1 (увіолеве скло) 2 і падає на кювету 3 з досліджуваним розчином. Приймач світла 5 вимірює люмінесцентне випромінювання під прямим кутом до напряму збуджуючого світла. Вторинний світлофільтр 4 пропускає світло люмінесценції та поглинає розсіяне світло від джерела збудження.

1 – ртутно-кварцева лампа; 2 – первинний світлофільтр; 3 – кювета; 4 – вторинний світлофільтр; 5 – діафрагма; 6 – фотоелемент; 7 – посилювач; 8 – гальванометр.

Досліджувану речовину освітлюють жорсткими УФ променями (200 нм). Найбільше розповсюдження серед різноманітних джерел випромінювання, які викликають люмінесценцію, отримали газоразрядні лампи (ртутно-кварцеві і ксенонові). Реєстратором може бути око людини, в сучасних пристроях в якості приймача випромінювання використовують фотопомножувачі.

Переваги методу:

– можливість визначення майже всіх елементів, багатьох органічних, біологічно активних та інших речовин (твердих, рідких), вивчення сумішей та визначення мікродомішок;

– різноманітні галузі застосування аналізу (ядерна фізика, рентгеноскопія, фармакологія, вітамінологія, біохімія, криміналістика, сільське господарство, харчова промисловість); створення люмінесцентних фарб, люмінесцентних джерел випромінювання з високим ККД, для кінозйомки, дефектоскопії та електронних приладів; люмінесценція деяких речовин лежить в основі роботи лазерів;

– можливість визначення 10^-4 мг/л речовини.

Недолік методу – обмежений концентраційний діапазон визначення через гасіння люмінесценції.