2018-03-09
3532
Лекция 2-3. Инструментальные методы анализа
Инструментальные методы анализа основаны на использовании зависимости физических свойств веществ от их химического состава. При использовании физико-химических и физических методах анализа для получения информации о химическом составе вещества исследуемый образец подвергают воздействию какого-либо вида энергии или исследуют естественные физические характеристики объекта. В зависимости от вида энергии в веществе происходит изменение энергетического состояния составляющих его химических компонентов: молекул, ионов, атомов. Это выражается изменением определенных физических свойств веществ: оптических, магнитных, электрических т.д. Регистрируя изменение этих свойств в виде аналитического сигнала, получают информацию о качественном и количественном составе исследуемого объекта или о его структуре.
По виду физического явления и измеряемого аналитического сигнала при анализе растениеводческой продукции получили распространение следующие группы методов инструментального анализа.
1. Спектральные и оптические методы.
2. Электрохимические методы.
3. Хроматография.
Спектральные и оптические методы анализа
Среди современных методов физико-химических анализов большое распространение получили спектроскопия и спектрометрия. Спектральный анализ – это группа методов качественного и количественного определения состава веществ, основанных на исследовании поведения электромагнитного излучения определенного спектра. Спектральные методы дают широкие возможности для наблюдения и исследования в различных диапазонах электромагнитного спектра: рентгеновское излучение; ультрафиолетовое (УФ) излучение; видимый свет; инфракрасное (ИК). Электромагнитное излучение в определенных диапазонах спектра имеет различную энергию. Это учитывается при исследованиях различных веществ и конструкционных особенностях приборов. Для исследования свойств растениеводческой продукции наибольший интерес представляют области спектра излучения: ультрафиолетовая (200-400 нм) с кварцевой оптикой; видимая (400-800 нм) со стеклянной оптикой; инфракрасная (2-15 мкм). Конструкционная особенность приборов основывается на следующих оптических явлениях:
· испускания (эмиссии);
· поглощения (абсорбции);
· рассеивания;
· люминесценции.
Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, задачи которых состоят в определении соответственно элементного и молекулярного состава вещества.
Эмиссионная спектрометрия исследует особенности испускания электромагнитного излучения определенными веществами (атомами или молекулами). Испускание световой энергии вызвано с предварительным энергетическим возбуждением атомов и молекул. Так в атомно-эмиссионной фотометрии при поглощении дополнительной энергии электроны с основного уровня переходят на более высокий энергетический уровень. В молекулярно-эмиссионной спектроскопии испускание электромагнитного излучения связано с получением дополнительной энергии молекулами в результате химических реакций (молекулярно-люминесцентная спектроскопия) или внешнего излучения (молекулярно-флуоресцентная спектроскопия).
Абсорбционная спектроскопия и спектрометрия исследует поглощательную способность исследуемых объектов. При этом анализируемую пробу помещают между источником электромагнитного излучения, пропущенного через монохроматор, и детектором излучения. Таким образом, прибор-спектрометр измеряет интенсивность света, прошедшего через пробу (I), в сравнении с источником первоначального излучения (I0).
Отношение I/I0 называют пропусканием (Т). Его значения могут изменяться от 0 до 1. Часто эту величину выражают в процентах. Если величина Т отнесена к толщине слоя в 1 см, то ее называют коэффициентом пропускания.
Поглощение излучения характеризуют оптической плотностью:
А = Ig(I/I0) = – Ig Т.
Связь между концентрацией поглощающего раствора и его оптической плотностью Ig(I/I0) выражается законом Бера, согласно которому оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества при постоянной толщине слоя:
А= k · С
где: k – коэффициент пропорциональности;
С – концентрация растворенного вещества.
Связь между интенсивностями световых потоков I и I0 определяется законом Бугера – Ламберта, согласно которому однородные слои одного и того же вещества одинаковой толщины поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии при постоянной концентрации растворенного вещества. Математически этот закон выражается уравнением экспоненциальной зависимости:
I=I0· e–a·l
где: е – основание натуральных логарифмов;
а – коэффициент поглощения;
l – толщина поглощающего слоя.
Зависимость интенсивности монохроматического светового потока, прошедшего через слой окрашенного раствора, от интенсивности падающего потока света, концентрации окрашенного вещества и толщины слоя раствора определяется объединенным законом Бугера – Ламберта – Бера, который является основным законом свотопоглощения и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа:
I=I0· 10–k·C·l
где: k – коэффициент светопоглощения, зависящий от природы растворенного вещества, температуры, растворителя и длины волны света.
При соблюдении основного закона светопоглощения оптическая плотность раствора прямо пропорциональна молярному коэффициенту светопоглощения, концентрации поглощающего вещества и толщине слоя раствора:
А = k·С·l
Атомную спектрометрию широко применяют в количественном анализе. Она основана на поглощении или испускании рентгеновского, видимого или УФ-излучения. Атомная спектрометрия подразделяется на два направления – атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная.
Атомно-эмиссионная спектрометрия основывается на переводе атомов в возбужденное состояние и последующая эмиссия (испускание) фотонов возбужденными атомами. Для активации атомов требуются высокие температуры. В зависимости от типа атомизатора выделяют следующие направления атомно-эмиссионной спектрометрии: дуговую, искровую, пламенную, рентгенофлуоресцентную.
Наиболее востребованным и используемым в производственной практике является пламенно-эмиссионная фотометрия. Принцип метода состоит в сравнении интенсивности спектров испускания атомов, содержащихся в исследуемом растворе с интенсивностью спектров испускания этих атомов в растворах с известной концентрацией. В качестве атомизатора используется горелка, работающая на окислителе (кислород или воздух) и восстановителе (метан, пропана, бутана, ацетилена или водорода). Температура атомизатора 1800-2300 оС позволяет переводить в возбужденное состояние только щелочные и щелочноземельные металлы. В пламя горелки вводят с помощью распылителяанализируемый раствор в виде аэрозоля. В пламени горелки происходит быстрое испарение раствора, содержащиеся в нем соли диссоциируют под влиянием тепловой энергии пламени на свободные атомы, ионы.
Атомно-абсорбционная спектрометрия как метод количественного анализа основана на способности атомов металлов поглощать в пламени горелки световую энергию строго определенной длины волны, характерной для каждого отдельного элемента. В отличие от эмиссионной пламенной фотометрии, где концентрация вещества в растворе определяется по интенсивности спектра излучения его атомов, в атомно-абсорбционной спектрометрии концентрацию элементов в растворе определяют по их абсорбции при прохождении монохроматического света через пламя с атомным паром исследуемого вещества. Как и в пламенной фотометрии, исследуемый раствор вводят в пламя горелки. При этом интенсивность пучка света, проходящего через пламя, уменьшается вследствие абсорбции его возбужденными атомами.
Метод атомной спектрометрии позволяют определить около 70 различных элементов. Они широко используются для определения в растениеводческой продукции биогенных макроэлементов (калий, натрий, кальций); микроэлементов (медь, цинк, марганец и др.); токсичных элементов (кадмий, ртуть, свинец и др.). Методы пригодны для массовых анализов, обладают низким порогом обнаружения.
