Г. Кристиан - Аналитическая химия, том 2 (Г. Кристиан - Аналитическая химия), страница 12

МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СЛЕКТРОМЕТРИИ 62 РНС. 16.З Типичная интерферограмма. В точке «0» оба зеркала иитерферометра находятся нв одинаковых расстояниях от делителя. С разрешения [ТЭ, йг. Ва!1, оресггозсору, 9(8) (1994) 24) л о о в з о Е з в и й з е о о Х 6 Положение подвижного зеркала Типичная интерферограмма показана на рис. 16.26. Высокий пик соответствует ситуации, когда два зеркала находятся на одинаковых расстояниях от светоделителя.

Эта часть интерферограммы называется точкой нулевой разности хода. По обе стороны от нее интенсивность быстро падает из-за интерференции. С помощью компьютера такой сигнал преобразуется в частотный спектр посредством математической операции, называемой преобразованием Фурье (отсюда название фурье-епектрометр). В результате получается традиционный ИК-спектр.

Как уже было сказано, приборы с интерферометром имеют ряд преимуществ. Во-первых, это большая светосила (выигрыш Жакино), обусловленное тем, что образец подвергается действию всего диапазона излучения, а не его маленьких порций, разбитых по длинам волн. В результате этого возрастает отношение сигнал/шум.

Кроме того, применение интерферометра делает возможным проведение анализа всех частот ИК-диапазона одновременно, позволяет получить спектр с разрешением сравнимым (или лучше) с разрешением при использовании дифракционной решетки всего за несколько секунд (т. е. сказывается наличие мультиплекс-фактора — выигрыш Фелжета). При регистрации множества интерферограмм и их усреднения с целью увеличения соотношения сигнал/шум компьютер должен каждый раз устанавливать точку нулевой разности хода строго в одном положении вдоль пути движения зеркала. Для этого интерферометр снабжается маленьким красным гелий-неоновым (Не — )4е) лазером, монохроматическое излучение которого проходит через интерферометр так же, как излучение источника. После наложения сигналов интерферограмма содержит полосы, расстояния между которыми в точности равны длине волны лазера — 632,8 нм.

По этим полосам проводят калибровку положения зеркала, чтобы компьютер мог синхронизировать все спектры. Принцип действия интерферометра и преобразование Фурье были известны уже столетие назад, однако их практическое использование стало возможным лишь 16.1 г. СПЕКтГОМНРЫ ДДЯ ГЛИжНЕй ИИИДЯСтИ с появлением быстродействующих компьютеров. Инфракрасные фурье-спектрометры производят в виде как портативных моделей для полевых условий, так и более сложных лабораторных приборов.

Все они снабжены светоделителем (обычно изготовленным из германия или бромида калия), подвижным зеркалом (движение осуществляется посредством точной механики или на воздушной подушке), твердотельным или криогенным детектором и компьютером для преобразования интерферограммы в частотный спектр. Для калибровки длин волн устанавливается монохроматический лазер с диодным детектором. Существуют также (хотя и менее распространены) быстродействующие сканирующие диспергирующие приборы, в которых интерферометр заменен более экономичным монохроматором. Эти приборы обеспечивают скорость регистрации и разрешение, сравнимые с аналогичными характеристиками фурье- спектрометров, но не имеют выигрыша Фелжета, который понижает уровень шумов. Современные ИК-спектрометры часто позволяют регистрировать спектры отражения; при этом отпадает необходимость в кюветах с соляными окошками и упрощается подготовка образца. Наиболее удобен метод внутреннего отражения, называемый спектрометрией нарушенного полного внутреннего отражения.

При этом образец должен быть размещен определенным образом, обеспечивая тесный контакт с алмазной призмой (подложкой). Инфракрасное излучение проникает в образец, претерпевает внутреннее отражение и затем попадает в детектор. 16Л 2. Спектрометры для ближней ИК-области Источники излучения в ближней ИК-области обычно работают при температуре 2500-3000 К (в средней ИК-области — при температурах -1700 К). Их излучение примерно в 10 раз более интенсивное, чем для источников в средней ИК-области. Соответственно, улучшается отношение сигнал/шум. По мере повышения температуры максимум интенсивности сдвигается в ближнюю ИК-область.

При более высокой температуре излучение в средней ИК-области становится слабее, а в ближней — усиливается. Для диапазона 800 — 1100 нм используют вольфрамовую галогеновую лампу, дающую интенсивное излучение в этой области. В ближней ИК-области обычно используют детекторы на основе ба1пАз; они приблизительно в 100 раз чувствительнее детекторов для средней ИК-области. Сочетание интенсивного излучения источника с чувствительными детекторами приводит к очень низкому уровню шумов (на уровне миллионных долей оптической плотности). В ближней ИК-области стекло и кварц прозрачны, поэтому с оптикой и кюветами возникает меньше проблем, чем для средней ИК-области. Излучение в ближней ИК-области можно передавать на большие расстояния с помощью волоконной оптики; промышленные и портативные (для полевых условий) приборы часто используют волоконно-оптические сенсоры (см.

ниже) для недеструктивного анализа образцов. ГЛАВА 16. МЕГОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СЛЕКТРОМЕГРИИ 16.13. Погрешности спектрометрических методов анализа -25 о < -10 о Рис. 16.27 Относительная погрешность в определении концентрации квк функция пропускаиия при 1%-й неопределенности 0 Пропускание в % 20 40 60 80 100 ь 1 0,8 0,5 0,3 0,2 0,1 0,05 0 Оптическая плотность При определении оптической плотности или пропускания всегда существуют некоторые погрешности измерения или невоспроизводимости данных. Неопределенность в показаниях прибора зависит от ряда инструментальных факторов и от диапазона, в котором находится измеряемая величина, т.

е. от концентрации ан влита. Поскольку между пропусканием и концентрацией наблюдается логарифмическая зависимость, небольшие погрешности в измерении пропускания приводят к большим относительным погрешностям в величине концентрации и при низком, и при высоком пропускании. Очевидно, что, если образец поглощает лишь очень малое количество света, даже небольшое изменение в величине пропускания приведет к заметной относительной погрешности результата. Если же образец поглощает почти весь свет, необходим чрезвычайно стабильный в работе прибор, чтобы точно измерить сильное снижение пропускания. Таким образом, существует некоторое оптимальное значение пропускания (оптической плотности), при котором относительные погрешности будут минимальными.

Пропускание, отвечающее минимальной относительной погрешности, можно вывести из закона Вера с помощью соответствующих преобразований. При зтом обычно предполагают, что погрешности в основном связаны с неопределенностью в считывании показаний со шкалы прибора и что абсолютная погрешность в определении пропускания постоянна, т.

е, не зависит от величины пропускания. В результате можно получить, что минимальная относительная погрешность в определении концентрации соответствует Т = 0,368 или А = 0,434. На рис. 16.27 показана зависимость относительной погрешности концентрации от пропускания, рассчитанная для постоянной погрешности измерения Т, равной 0,01. Хорошо видно что приблизительно постоянная (и близкая к минимальной) погрешность сохраняется в диапазоне Тот 20 до 65% (от 0,7 до 0,2 еди- 16.14. ОТКПОНЕНИЯ ОТ ЗАКОНА БЕРА ниц А). Чтобы избежать больших погрешностей при спектрофотометрических измерениях пропускание должно попадать в интервал от 10 до 80% (А = 1 — 0,1).

Следовательно, образцы при необходимости нужно разбавлять (или концентрировать), а стандартные растворы готовить так, чтобы величина оптической плотности попадала в оптимальный диапазон. Необходимо отметить, что зависимость, показанная на рис. 16.27, на самом деле типична только для приборов с детекторами, характеризующимися шумом Джонсона, или тепловым шумом. К ним относятся детекторы на основе фото- проводников типа СЖ или РЪБ (от 400 до 3500 нм), термопары, болометры и детекторы Галек в ИК-области. Шум Джонсона возникает из-за хаотического теплового движения носителей заряда.

В детекторах на основе фотоэлементов и ФЭУ (фотоэмиссионных детекторах для видимой и УФ-областей) тепловые шумы незначительны по сравнению с дробовыми шумами. Дробовый шум — это хаотические флуктуации электрического тока от поверхности, испускающей электроны (т. е. через переход от катода к аноду). В ФЭУ он усиливается и становится главным шумом. В приборах с такими детекторами абсолютная погрешность не постоянна во всем диапазоне значений Т, и выражение для спектрофогометрической погрешности становится более сложным.

Расчеты показывают, что в этом случае минимальная погрешность соответствует Т = 0,136 или А = 0,87; рабочий диапазон приборов — от -0,1 до 1,5 единицА. 16Л4. Отклонения от закона Бера Закон Вера выполняется не всегда. Иногда линейность зависимости оптической плотности от концентрации нарушается. Отклонения от закона Бера связаны с химическими и инструментальными факторами. Большинство «отклонений» на самом деле являются кажущимися, поскольку если учесть все факторы, вызывающие нелинейность, то исправленная зависимость оптической плотности от концентрации будет линейной. Истинные же отклонения от закона Бера возникают в том случае, когда концентрация так высока, что показатель преломления раствора отличается от показателя для раствора сравнения.

Подобная ситуация применима к смесям органических растворителей с водой, поэтому состав раствора сравнения должен быть приближен к составу образца. Кроме того, растворитель может влиять на коэффициент поглощения аналита. Химические факторы Химические факторы, вызывающие нелинейность, проявляются при смещении химического равновесия. Примером может служить слабая кислота, для которой молекулярная форма поглощает в определенном интервале длин волн, а ее анион не поглощает: НА Н+ -ь А (поглощает) (не поглощает, прозрачен) ГЛАВА 16. МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ Соотношение молекулярной и анионной форм, естественно, зависит от рН (см. гл. 7).

Если при измерениях используется буферный раствор или раствор является очень кислым, это соотношение будет оставаться постоянным при всех концентрациях кислоты. Однако в небуферном растворе степень диссоциации будет увеличиваться по мере разбавления кислоты, т. е. равновесие сдвигается вправо. Таким образом, в разбавленном растворе доля поглощающих частиц меньше, что вызывает кажущееся отклонение от закона Бера. В результате в области более высоких концентраций (где меньше степень диссоциации) возникает положительное отклонение от линейности.