2. Аналитическая молекулярная спектроскопия
2.1. Спектрофотометрический метод анализа
В 1729 году французский физик и астроном П. Бугер экспериментально установил, что ослабление света, проходящего через прозрачную среду, пропорционально его интенсивности и толщине исследуемого образца. В 1760 году немецкий физик, математик и философ И.Г. Ламберт теоретически обосновал обнаруженную закономерность. В 1852 году немецкий учёный А. Бер экспериментально установил, что коэффициент пропорциональности указанной зависимости, т.н. коэффициент экстинкции, в свою очередь, пропорционален концентрации частиц, поглощающих излучение. Названные учёные заложили фундамент для создания спектрофотометрии – одного из старейших инструментальных методов аналитической химии. Метод основан на измерении степени поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона молекулами определяемого вещества в растворе, иногда в твердой, реже в газовой фазе.
2.1.1. Физические основы
Поглощение энергии фотона оптического диапазона свободным атомом сопровождается электронным переходом в его валентной зоне и появлением узкой линии в спектре. У молекулы больше степеней свободы, чем у атома, и соответственно, более развитая структура стационарных энергетических уровней. Каждому электронному уровню соответствует несколько колебательных, а каждому колебательному уровню – несколько вращательных:
Поглощение молекулой фотона оптического диапазона приводит к более сложному электронно-колебательно-вращательному переходу, квантово-механическая вероятность которого, как правило, заметно ниже. Существенно большее число близко расположенных стационарных энергетических уровней у молекул приводит к увеличению числа линий в спектре поглощения. Постоянное возмущение орбиталей при взаимодействии молекул в конденсированной фазе ведёт к уширению этих линий, которые сливаясь друг с другом, превращаются в широкие полосы. Поэтому структура абсорбционного молекулярного спектра вещества в конденсированной фазе является квазинепрерывной.
Функциональная связь оптической плотности A (или пропускания T) фотометрируемого раствора с концентрацией c поглощающего вещества выражена законом Бугера – Ламберта – Бера (см. раздел 1.2.1.). Оптическая плотность – величина безразмерная, поэтому если концентрация поглощающего вещества измерена в моль/л, а толщина поглощающего слоя – в см, то коэффициент должен быть выражен в л/моль/см. Это т.н. молярный коэффициент поглощения. Он обозначается буквой . Итак,
Если в растворе присутствует несколько компонентов с концентрациями ci, поглощающих излучение с длиной волны (молярные коэффициенты поглощения i), то измеряемая оптическая плотность раствора равна сумме оптических плотностей всех этих компонентов (закон аддитивности Фирордта):
2.1.2. Аппаратурное оформление
Приборы для проведения спектрофотометрического анализа состоят из следующих основных узлов:
источник непрерывного спектра излучения: вольфрамгалогенная лампа накаливания (для работы в видимой области) или газоразрядная дейтериевая лампа (для измерений в ультрафиолетовом диапазоне длин волн);
монохроматор (дифракционный, призменный, или набор светофильтров);
кювета для раствора толщиной от 0,2 до 10 см, изготовленная из стекла или кварца, для измерений в видимой или ультрафиолетовой области соответственно;
детектор (фотоэлемент или фотодиод).
Блок-схема однолучевого спектрофотометра
|
|
а б в г д
|
– источник излучения (ламповый блок) – монохроматор – кюветное отделение – система детектирования – регистрирующее устройство
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
|
– вольфрам галогенная лампа – дейтериевая лампа – поворотное конденсорное зеркало – входная щель – дифракционная решётка – выходная щель – коллиматорная линза – кюветы – объективная линза – диафрагма – фотоэлемент – амперметр
|
Сначала детектор измеряет интенсивность излучения, прошедшего через кювету с раствором сравнения (I0), затем – через кювету с фотометрируемым раствором (I). Результат измерений прибор автоматически выдаёт в единицах оптической плотности lg I0/I или пропускания I/ I0.
На практике используют два типа приборов – фотометры, или фотоколориметры, и спектрофотометры. Это устройства разного класса и, соответственно, возможностей. Главное отличие между ними заключается в степени монохроматизации ЭМИ и рабочем диапазоне оптической плотности, которые можно измерить с приемлемым уровнем погрешности. Обе указанные характеристики у спектрофотометров заметно выше:
|
Полоса пропускания монохроматора, нм |
Рабочий диапазон оптических плотностей |
Фотометры |
15 – 30 |
0,15 – 1,2 |
Спектрофотометры |
1,5 – 7 |
0,05 – 2,5 |