спектроскопические методы анализа

Например, если неподеленная пара электронов принадлежит элементу 2-го периода, например азоту, кислороду или фтору, то Е n→δ* будет соответствовать длине волны дальней УФ-области, и полоса поглощения, соответствующая n→δ* переходу, не будет наблюдаться в обычном УФ-спектре. Вследствие этого вода и спирты являются прекрасными растворителями для записи УФ-спектров. В то же время у молекул, содержащих атомы, у которых n-орбитали имеют более высокую энергию, в доступной для прибора области спектра следует ожидать появления полос поглощения, соответствующих таким переходам.

В молекулах, где присутствуют как кратные связи, так и неподеленные электронные пары, (находящиеся либо на одном из атомов, образующем кратную связь, либо на соседнем атоме), следует ожидать полос поглощения, возникающих за счет n→ π * переходов. Длина волны,

41

при которой будут наблюдаться такие полосы, будет большей, чем для переходов типа π→π*.

Устройство спектрофотометра

Приборы для записи электронных спектров поглощения бывают разных конструкций, с различным уровнем сложности и технической оснащенности – от простых фотоэлектроколориметров (ФЭКов) до высокотехнологичных приборов известных фирм (Beckman, Unicam, Perkin Elmer и др.). Тем не менее, в приборе любого типа должны присутствовать основные элементы (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Основные блоки прибора, с помощью которого получают электронные спектры поглощения:

1 – источник излучения; 2 – монохроматор; 3 – кюветное отделение

– эталон, ■ – образец); 4 – детектор; 5 – усилитель; 6 – регистрирующее устройство (самописец или блок связи с компьютером)

Источник излучения. Источником УФ-излучения чаще всего является дейтериевая или водородная лампа. Она представляет собой газоразрядную трубку, заполненную соответствующим газом. Под действием электрического разряда молекула дейтерия или водорода переходит в возбужденное состояние и распадается на атомы, один из которых также находится в возбужденном состоянии. Возвращаясь в основное состояние, этот атом испускает кванты излучения ультрафиолетовой области. Источник видимого света – лампа накаливания с вольфрамовой нитью.

Монохроматор. Монохроматор – это оптическое устройство, разлагающее электромагнитное излучение в спектр и направляющее на образец лучи различных длин волн поочередно. Простейший монохроматор состоит из входной и выходной щелей, а также

42

диспергирующего элемента, в качестве которого могут выступать призма из подходящего материала или отражательная дифракционная решетка. Входная щель нужна для того, чтобы вырезать узкий пучок из той порции полихроматического излучения, которое на нее падает. Задача диспергирующего элемента – разложение этого полихроматического луча в спектр, а задача выходной щели – вырезать из полученного спектра пучок излучения в очень узком интервале длин волн. Таким образом, поворачивая диспергирующий элемент под различными углами по отношению к падающему лучу, можно добиться того, что из выходной щели будут выходить поочередно лучи различных длин волн. Этот процесс называют сканированием спектра. В простых ФЭКах сканирование осуществляется вручную, а в современных приборах – автоматически.

Измерительный отсек (кюветная камера, куда помещается образец). В кюветной камере чаще всего размещают две кюветы, выполненные из соответствующего оптического материала. Для видимой области кюветы могут быть стеклянными, но для УФ-области кюветы должны быть выполнены из кварца, потому что стекло сильно поглощает УФ-излучение с длинами волн короче 320 нм. В одну из кювет помещается образец, растворенный в подходящем растворителе, а в другую – только растворитель, без образца, чтобы компенсировать потери интенсивности излучения, связанные с растворителем и материалом кюветы (отражение, рассеяние). В однолучевых приборах с ручной регистрацией в единственный луч поочередно вводят кюветы с образцом и без образца и регистрируют показания индикатора, связанного с детектором. В двухлучевых приборах луч делится на два равных по интенсивности пучка, которые направляются на обе кюветы одновременно. Сравнение интенсивности пучков, прошедших через эти две кюветы, прибор осуществляет автоматически.

Детектор. В качестве детектора в простых ФЭКах выступает фотоэлемент, в котором поток фотонов излучения превращается в пропорциональный ему электрический ток. В современных приборах детектором чаще всего служит фотоумножитель, работающий по

43

принципу фотоэлемента, но обладающий во много раз большей чувствительностью.

С внедрением компьютерной техники в практику обработки спектроскопической информации появились приборы, в которых детектором является так называемая фотодиодная матрица. Такой тип детектора позволяет одновременно регистрировать интенсивность электромагнитного излучения на всех длинах волн, проходящих через образец. Необходимость в сканировании спектра отпадает, поскольку компьютер позволяет из сигналов детектора на фотодиодной матрице получить стандартный спектр за доли секунды. Приборы с такой системой детектирования стоят значительно дороже и применяются лишь тогда, когда скорость получения спектра принципиально важна.

Система регистрации. При ручной регистрации оператор вручную устанавливает на монохроматоре определенную длину волны, затем регистрирует разницу в показаниях индикатора при введении в световой пучок кюветы без образца и с образцом, и повторяет все эти действия для всех длин волн измеряемого диапазона. Показания индикатора можно снимать в единицах оптической плотности (поглощения) А = lg(I0/I) или процента пропускания T = (I/I0)∙100%, где I0 – интенсивность излучения, падающего на образец, а I – интенсивность излучения, прошедшего через образец.

Спектр поглощения представляет собой график зависимости поглощения (оптической плотности) А от длины волны λ. В определенных областях спектра можно наблюдать резкое повышение оптической плотности образца. Такие области называют полосами поглощения. Эти полосы характеризуются положением их максимума на оси длин волн (λmax), а также интенсивностью, которую чаще всего оценивают в виде высоты максимума (Аmax).В целях стандартизации эту величину обычно пересчитывают в λmax.

44

Аналитическое использование молекулярной адсорбционной спектроскопии

Говоря об аналитическом применении закона Бугера – Ламберта – Бера в фотометрии и УФ-спектроскопии, прежде всего, стоит сказать, что метод относится к классическим инструментальным методам анализа. Это один из старейших методов, существующий с середины XVII столетия. Имеет хорошо разработанную методологию. Приборная база метода не дорогая, в этой связи прибор для измерения поглощения растворов, хотя бы самый простой, имеется практически в любой химической и, тем более, аналитической лаборатории. Следует отметить, что в настоящее время известны сотни аналитических реакций, переводящих ионы, как органической, так и неорганической природы в поглощающие свет в видимой области соединения. Таким образом, важное преимущество метода – его простота и хорошо разработанная методическая основа.

Как уже было сказано, в основе аналитического использования метода молекулярной адсорбционной спектроскопии лежит закон Бугера – Ламберта – Бера. Еще раз приведем математическое выражение закона:

Количественное определение в этом методе носит название прямой спектрофотометрии (фотометрии, УФ-спектроскопии), потому, что измерение концентрации анализируемого вещества основано на использовании градуировочного графика. Градуировочный график метода

– графическое выражение закона Бугера – Ламберта – Бера (рис. 3.23). На рисунке приведены градуировочные графики для четырех различных веществ с различными коэффициентами молярного поглощения (ελ).

Причем, ελ(1) < ελ(2) < ελ(3) < ελ(4).

45

Рис 3.23. Графическое выражение закона Бугера – Ламберта – Бера

Чем больше коэффициент молярного поглощения вещества, тем круче градуировочный график и тем более чувствителен метод. Тангенс угла наклона градуировочного графика (α) называется коэффициентом чувствительности (S). Если длина кюветы (l) равна 1 см, то тангенс угла наклона градуировочного графика равен коэффициенту молярного поглощения:

В общем случае коэффициент чувствительности определения равен:

S = ελ ∙ l (17)

С точки зрения аналитического применения метода очень важно свойство закона Бурега – Ламберта – Бера, заключающееся в его аддитивности:

46

присутствия в смеси нескольких компонентов (1 и 2) выглядит как показано на рис. 3.24.

Рис. 3.24. Поглощение смеси равно сумме поглощений ее компонентов

Это свойство закона Бугера – Ламберта – Бера стало причиной известных ограничений метода, связанных с его недостаточной селективностью. Для увеличения селективности определения, в тех случаях, когда анализируемый раствор – это смесь поглощающих веществ, используются различные приемы. Например, используют так называемые «маскирующие» реакции, которые заключаются в выведении мешающего компонента из смеси, используя реакции комплексообразования.

Возможно устранение мешающего влияния с использованием окислительно-восстановительных реакций или реакций осаждения. Применяют сорбирующие фильтры для освобождения от мешающих ионов. Для этих целей разработаны специальные методические приемы измерения и проведения эксперимента. Например, метод Фирорда, который заключается в измерении поглощения смеси при нескольких длинах волн и последующем решении системы уравнений.

47

Очень важным свойством органического соединения (хромофора) с точки зрения возможностей его определения спектрофотометрическим методом является его коэффициент молярного поглощения ( λ). Он равен поглощению 1 М раствора в кювете 1 см. Коэффициент молярного поглощения зависит от следующих факторов:

-природы поглощающей свет молекулы (в том числе, окрашенной формы). Его величина может изменяться от сотен до сотен тысяч единиц, в зависимости от природы хромофора;

-длины волны поглощаемого излучения;

-температуры раствора.

Но не зависит от концентрации оптически активного соединения и от длины кюветы.

Следует также отметить, что, если концентрация хромофора, которую подставляют в закон Ламберта – Бугера – Бера (в уравнение градуировочного графика) не молярная, а массовая, то в этом случае коэффициент экстинкции в уравнении не будет называться молярным. С практической точки зрения, как правило, пользуясь градуировочным графиком, удобнее выражать концентрацию в массовых единицах (мкг/мл, мг/л и т.д.).

Причины отклонения от линейности градуировочного графика

Градуировочный график, используемый в методе спектрофотометрии, должен выходить из нуля и быть линейным. Это одно из условий получения правильного результата. Если в эксперименте получен график, не выходящий из нуля, следовательно, допущена ошибка, таким графиком пользоваться нельзя и ошибку надо устранить. Требования к линейности также весьма жесткие. При построении градуировочного графика всегда следует найти диапазон концентраций, в которых градуровка линейна. Редко возможны исключения. Например, при определении белков с индикатором бромкрезоловым зеленым (по поглощению получающего адсорбционного комплекса) возможно пользоваться нелинейной градуировочной функцией.

48

Существуют причины отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера. Их принято делить на инструментальные и химические.

Инструментальные причины отклонения от закона Ламберта – Бугера – Бера

Основная инструментальная причина отклонения от линейности градуировочного графика – недостаточная монохроматичность лучистого потока. Она характерна для приборов, в которых используются светофильтры. Смысл этой причины объяснен на рис. 3.25.

Рис. 3.25. Недостаточная монохроматичности лучистого потока – причина отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера

Слева на рисунке изображены спектры поглощения раствора одного и того же вещества с двумя различными концентрациями (с1 < с2). Поглощение растворов с концентрациями с1 и с2 измеряют в максимуме полосы поглощения (отрезки на графике слева) и откладывают точками (справа) для построения градуировочного графика. Это в том случае, если измерения ведут на спектрофотометре, который имеет монохроматор, способный установить длину волны с точностью до 1 нм или его долей. В случае использования в качестве монохроматора светофильтра (фотометр),

49

который регистрирует поглощение в виде площади под участком кривой (заштриховано на рис. 3.25 слева), на градуировочном графике будут отклонения от прямой линии. Дело в том, что при больших концентрациях в максимуме поглощения полоса поглощения идет круче и, следовательно, нет подобия подынтегральных функций, отклоняются от пропорциональной зависимости и площади:

Химические приичны отклонений

от закона Бугера – Ламберта – Бера

Эти причины наиболее важны и могут привести к существенным ошибкам. Дело в том, что поглощение соединения зависит от многих факторов химического характера: явления полимеризации, сольватации, рН раствора, протекание побочных реакций, которые вовлекают определяемое соединение в посторонние равновесия. Удобнее всего обьяснить действие химических причин на таком примере. Определение хрома принято вести по поглощению его шестивалентной формы в кислой среде. При этом известно, что в зависмости от рН среды, формы шестивалентного хрома изменчивы и имеют разное поглощение:

Вкислой среде хром присутстует в растворе в виде бихроматаниона, который в нейтральной и в щелочной средах переходит в хроматанион. Градуировочный график строят по поглощению бихромат-аниона при длине волны, соответствующей максимому поглощения этой формы.

Втом случае, если среда недостаточно кислая, протекает реакция депротонирования анионной формы бихромата. Спектры поглощения обеих форм приведены на рис. 3.26. Как видно, они не совпадают.

50