Методы спектрального анализа

Под спектральным анализом понимают совокупность физических методов качественного и количественного определения состава вещества, основанных на получении и исследовании их спектров испускания, поглощения, отражения и люминесценции. Основа спектрального анализа -спектроскопия атомов и молекул; его классифицируют по целям анализа и типам спектров. В частности, атомный спектральный анализ определяет элементный состав вещества по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения электромагнитного излучения.

Происхождение атомных спектров объясняется строением атома. Очень упрощенно их появление можно интерпретировать следующим образом: поглощение атомом фотона (порции энергии электромагнитного излучения) приводит к тому, что электрон в атоме целиком забирает энергию поглощенного фотона и переходит из состояния с низкой энергией (с низкого энергетического уровня) в энергетически более насыщенное состояние (на более высокий энергетический уровень). Количество и расположение уровней в атоме данного элемента строго соблюдается, поэтому будет поглощаться не всякий фотон, а лишь тот, энергия которого в точности равна разности энергий двух уровней в атоме (энергии перехода). Количество уровней в атоме составляет конечное число, следовательно конечно и количество переходов между ними. Следует также отметить, что все атомы данного элемента абсолютно тождественны, значит и переходы между уровнями у них тоже идентичны

Молекулярный спектральный анализ показывает состав вещества на молекулярном уровне по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции и комбинационного рассеяния света. В отличие от ионов и атомов, электронные состояния в молекулах определяются движением как электронов, так и ядер, поэтому в соответствии с видами движений частиц составляющих молекулу, молекулярную спектроскопию делят на электронную, колебательную, вращательную и, соответственно, рассматривают электронные, колебательные или вращательные спектры излучения и поглощения вещества.

Молекулярные спектры поглощения, изучаемые методами абсорбци-онно-спектрального анализа, связаны с переходами между различными электронными состояниями атомов и молекул. Они возникают в результате переходов электрона, принадлежащего внешней (валентной) электронной оболочке с основного (более низкого по энергии) энергетического уровня на возбужденный уровень за счет поглощения квантов излучения из сплошного спектра источника. Спектры поглощения молекул в УФ и видимой области широко применяются для качественного и количественного анализов вещества уже более 100 лет. Получение и анализ спектров поглощения электромагнитного излучения аишшзируемых объектов (атомов, ионов, молекул вещества), несмотря на сложность и разнообразие изучаемых объектов, имеют много общих черт в методике исследований и используемой аппаратуре. Абсорбционный спектральный анализ проводят на специальных приборах - спектрофотометрах, а перед анализом пробу часто превращают в пар или растворяют.

В процессе перехода электрона из возбужденного состояния в основное происходит испускание электромагнитного излучения, при этом совокупность всех излучений образца характеризует его спектр испускания. По спектрам испускания атомов, ионов и молекул, возбуждаемым различными источниками электромагнигного излучения в диапазоне от у-излучения до микроволнового (источник возбуждения чаще плазменный - пламя газовой горелки, электрическая дуга, лазерная искра), производят эмиссионный спектральный анализ.

В основе флуоресцентного спектрального анализа лежит облучение паров пробы вещества резонансным для исследуемого элемента излучением и наблюдением флуоресценции элемента, входящего в его состав.

В соответствии с диапазоном длин волн поглощаемого и испускаемого электромагнитного излучения выделяют низкоэнергетическую радио и микроволновую спектроскопию, спектроскопию оптическую, в которую входит инфракрасная, молекулярная оптическая и ультрафиолетовая спектроскопии, а также спектроскопию высоких энергий, включающую в себя рентгеновские и гамма - спектральные методы.

Если энергия конечного состояния выше энергии начального, то происходит поглощение энергии, если наоборот Ек < Ен - энергия излучается. Первый случай соответствует спектрам поглощения, второй спектрам излучения.

Электромагнитное излучение характеризуется энергетическими и волновыми параметрами. Волновой параметр выражается длиной волны К (нм, мкм, см, м) или частотой колебания v

Кроме перечисленных, представляется возможным рассмотреть в настоящей главе колориметрические методы - измерение и количественное выражение характеристик света, отражаемого объеетом, визуально определяемого как цвет, так как между спектром поглощения и спектром отражения вещества обычно существует однозначное соответствие.

При исследовании продовольственных товаров, представленных органическими соединениями, наиболее широко применяются спектры поглощения в ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной областях и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Исследование объектов неорганической природы требует привлечения более высокоэнергетических методов спектрального анализа (для определения их элементного состава), а в случаях, когда необходима информация о составе газовой среды, может быть применена спектроскопия в микроволновой области.