Курс лекций, страница 3

Чувствительность атомной абсорбционной спектроскопии превышает чувствительность эмиссионной. Она применяется для анализа многих элементов в различных объектах (стали, сплавы, руды, природные воды, почвы, биологические пробы).

2.3. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Масс-спектрометрический метод анализа основан на ионизации изучаемого вещества, образовании пучка летящих ионов и его разделения в пространстве на части, различающиеся отношением массы к заряду. Далее эти части регистрируются по отдельности, давая масс-спектр. Этот спектр позволяет определить величины масс частиц компонентов и относительное содержание компонентов в исследуемом веществе. Этот мощный универсальный метод анализа отличается высокой чувствительностью, высокой специфичностью и селективностью определения и применяется к широчайшему кругу объектов - от изотопов элементов до сложных белковых молекул.

Масс-спектрометр состоит из следующих основных частей.

Устройство для ввода пробы обеспечивает необходимую концентрацию вещества в ионизаторе, который (как и остальные части прибора) находится под вакуумом, что обеспечивает необходимую длину свободного пробега ионов. Ионизация пробы осуществляется одним из следующих способов:

а) электронный удар

б) лазерное излучение

в) искровой разряд

г) бомбардировка пучком ионов.

Образуются преимущественно положительные однозарядные ионы, значительно реже двухзарядные. Если энергия бомбардировки велика, разрываются химические связи и в потоке появляются фрагменты, то-есть ионы-осколки. Образующиеся из молекул или атомов пробы ионы ускоряются электрическим полем и фокусируются в пучок в узле ускорения и фокусирования. Далее сфокусированный пучок ионов попадает в масс-анализатор, где ионы разделяются по массе. Существует ряд методов разделения пучка ионов, простейший из них - магнитный.

Ионы движутся в электрическом поле, приобретая кинетическую энергию:

zU=mv²/2

где U - ускоряющая разность потенциалов, m- масса иона, z -заряд иона, v - скорость. Отсюда получаем:

v=(2Uz/m)^1/2.

Таким образом, при постоянной U скорость определяется отношением заряда к массе. Летящие ионы попадают в постоянное магнитное поле с напряженностью Н и взаимодействуют с ним (сила Лоренца, равная Hzv), за счет чего траектория движения ионов искривляется. Эту силу можно приравнять центробежной силе: Hzv=mv²/r,

где r -радиус кривизны траектории. Он равен:

r= mv/zH= (2Um/z)^1/2/H.

Т.о., ионы с различным отношением массы к заряду имеют разные радиусы кривизны, разлетаются веером и попадают в разные места детектора, где ионный ток преобразуется в электрический сигнал и записывается в виде масс-спектра (набор четких полос). Сравнение с масс-спектрами эталонных образцов позволяет провести качественный анализ, а количественный проводится по интенсивности линий.

Применения масс-спектрометрии:

а) анализ изотопного состава элементов;

б) элементный анализ твердых неорганических веществ и материалов, определение посторонних веществ на поверхности;

в) анализ смесей газов, можно осуществлять непрерывный контроль;

г) определение концентрации свободных радикалов;

д) установление структуры органических соединений;

е) анализ смесей органических веществ. Сочетание с предварительным хроматографическим разделением позволяет обнаружить до 10^-10 г вещества. Масс-спектрометрия - единственный метод обнаружения ядовитых диоксинов.

2.4. РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ

Радиоспектроскопия включает электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и основана на резонансном поглощении радиочастотного излучения веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. Блок-схема ЯМР-спектрометра приведена на рисунке 2.2. Образец вещества помещается в катушку, находящуюся в постоянном магнитном поле; на катушку подается высокочастотное ЭМИ, при соблюдении условия резонанса вещество поглощает часть ЭМИ, что регистрируется детектором и записывается в виде спектра.

2.4.1. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР)

Ядра многих элементов имеют спин I и связанный с ним магнитный момент, величина которого прямо пропорциональна спину:

=hI,

где  - магнитный момент, гиромагнитное отношение ядра,I - спин частицы.

Проекции спина (и связанного с ними магнитного момента) на выделенное направление (вектор напряженности постоянного магнитного поля Н₀) квантованы, то-есть могут принимать только значения I, (I-1), ...,-I. Для ядра водорода I=1/2 и проекции могут быть равны 1/2 или -1/2. Так как магнитные моменты взаимодействуют с постоянным магнитным полем, энергетические уровни этих частиц в магнитном поле расщеплены (эффект Зеемана). Разность энергий между уровнями пропорциональны величине Н₀. Нижний уровень заселен больше, чем верхний, по закону распределения Больцмана. Переходы между этими дискретными состояниями возможны, если облучить вещество ЭМИ, частота которого удовлетворяет условию резонанса:

=H.

При этом происходит резонансное поглощение энергии радиочастотного поля, которое можно обнаружить радиотехническими методами. Поглощение измеряют при плавном изменении напряженности магнитного поля и записывают в виде спектра ЯМР. Спектр в веществе в простейшем случае имеет вид колоколообразной кривой, а не одиночной линии, вследствие разных причин. Если исследуемое вещество находится в растворе, главная причина уширения линии и появления структуры спектров - взаимодействия ядерного магнитного момента с окружением.

Ядра одного и того же элемента в молекуле находятся чаще всего в неодинаковом электронном окружении, и на постоянное магнитное поле в месте нахождения ядра накладывается дополнительное магнитное поле, созданное электронными токами, возбужденными внешним полем Н (явление диамагнитного экранирования, приводящее к химическому сдвигу). Дополнительное поле на ядре пропорционально Н, и полное магнитное поле, действующее на ядро, равно:

Н_эф=(1-)H,

где  называется постоянной экранирования и имеет порядок 10^-6.

Поэтому в спектре ЯМР разные группы ядер одного элемента дают линии поглощения, несколько сдвинутые друг относительно друга. Например, в спектре ЯМР протонов этилового спирта наблюдаются три линии: от протонов СН₃-групп, СН₂-групп и ОН-групп, площади под которыми находятся в отношении 3:2:1, пропорционально числу соответствующих протонов (рис.2.3). Такое расщепление линий называется тонкой структурой спектров, а расстояния центров линий относительно эталонной линии называются химическими сдвигами и измеряются в миллионных долях (м.д.). Для измерения сдвигов в качестве эталонного вещества часто используется тетраметилсилан (CH₃)₄Si, так как его протоны дают острую линию, положение которой почти не зависит от растворителя. В качестве растворителей используют либо соединения, не содержащие исследуемые ядра (например, для спектров ¹H это может быть CСl₄), либо дающие острую линию, не перекрывающуюся с исследуемым спектром (бензол, циклогексан, хлороформ). Каждая линия дополнительно расщеплена за счет косвенного (черезэлектронного) спин-спинового взаимодействия между магнитными моментами близких магнитных ядер. Это называется сверхтонкой структурой спектра. Химический сдвиг зависит от напряженности постоянного магнитного поля, а сверхтонкое расщепление не зависит. Число компонентов зависит от числа соседних ядер и их спина. Спектры сложных молекул имеют много линий, их расшифровка позволяет определить структуру молекул, поэтому ЯМР-спектрометр является необходимой принадлежностью лабораторий органической химии. Исходя из известных спектров различных веществ, можно определить состав исследуемой смеси. По информативности спектры ЯМР могут быть сравнимы с «отпечатками пальцев» и используются для качественного анализа смесей органических веществ. Поскольку интенсивность линий связана с концентрацией веществ, ЯМР может быть также использован для количественного анализа. Если молекулы исследуемых веществ содержат другие атомы с магнитными ядрами (например, ²H, ¹³С, ¹⁴N, ¹⁵N, ¹⁷О, ¹⁹F, ³¹Р, ³³S), то для каждого типа ядер можно записать свой спектр ЯМР, что увеличивает возможность качественного анализа состава исследуемой смеси. Поскольку некоторые из этих ядер содержатся в веществах в небольшой концентрации, иногда применяется изотопное обогащение образца. Широко применяются методы, облегчающие интерпретацию спектров. Среди них избирательное замещение протонов атомами дейтерия, измерение спектра в ЯМР-спектрометрах, имеющих постоянные магниты с разной напряженностью поля, применение парамагнитных реагентов, которые известным образом селективно сдвигают определенные линии спектра.

ЯМР - недеструктивная спектроскопия, так как энергия облучающих квантов мала. Это обстоятельство позволяет использовать ЯМР для томографического обследования человека, менее вредного, чем рентгеновская томография. Недостаток ЯМР - сравнительно низкая чувствительность.

2.4.2. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЭПР)

ЭПР - резонансное поглощение энергии радиочастотного поля в парамагнетиках, то-есть веществах с постоянными магнитными моментами электронов, которые возникают либо за счет электронного спина свободных радикалов, либо в парамагнитных ионах металлов (Сr, Mn, Fe, Co, Cu и др.) Вид спектра зависит от распределения электронных облаков и характера химических связей. Линии спектра расщеплены за счет взаимодействия с магнитными моментами соседних частиц.

Линия поглощения ЭПР характеризуется g-фактором (отношением резонансной частоты к Н₀), интенсивностью, шириной и формой. g-фактор является индивидуальным свойством вещества. Если неспаренный электрон находится в атоме, ядро которого имеет ядерный спин, в результате их взаимодействия вместо одной возникают несколько линий спектра, спектр имеет сверхтонкую структуру (СТС). Число линий СТС равно 2I+1, где I - величина ядерного спина. Например, спин ядра ⁶⁵Cu равен 3/2, и число линий СТС равно 4, а у ⁵⁹Co I=7/2 и число линий СТС равно 8. Таким образом, спектр ЭПР позволяет различить эти металлы. Взаимодействие неспаренного электрона с ядерными спинами соседних атомов приводит к дополнительному расщеплению линий, что позволяет идентифицировать свободные радикалы. Структура (характер) спектра ЭПР используется для качественного анализа, а для количественного - интенсивность линий, так как она пропорциональна количеству вещества.

Частота переменного ЭМИ лежит в области СВЧ. Имеются атласы спектров различных парамагнитных веществ, облегчающие расшифровку спектров.

С экологической точки зрения, метод ЭПР является наиболее удобным методом для обнаружения свободных радикалов, а также анализа загрязнений почвы тяжелыми металлами. Чувствительность ЭПР-спектроскопии высока и позволяет обнаружить присутствие парамагнитных частиц в образце, даже если их количество в исследуемом образце не превышает 10^12..

Семинар 3. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.

В отличие от атомной спектроскопии, методы молекулярной спектроскопии изучают поглощение света веществом без разрушения молекул, так же как радиоспектроскопия. Молекулярные спектры называются полосатыми, в отличие от линейчатых атомных спектров, так как они состоят из широких полос, часто перекрывающих друг друга. Сложность молекулярных спектров по сравнению с атомными объясняется тем, что в молекулах происходит много больше движений, чем в атомах. Кроме переходов электронов относительно ядер, происходят колебательные движения ядер около положений равновесия и вращательные движения молекул как целого и ее частей. Полная энергия молекулы Е в хорошем приближении может быть представлена как сумма квантованных значений энергий электронного (Е_эл), колебательного (Е_кол) и вращательного (Е_вр) движений:

Е=Е_эл+Е_кол+Е_вр.

Общее число энергетических уровней, связанными с этими движениями, велико, и переходы между ними дают в видимой и УФ-области полосатые электронные спектры, в ближней ИК-области - полосатые колебательные спектры, в дальней ИК-области - линейчатые вращательные спектры.

3.1. УФ и видимая спектрофотометрия

В оптическом диапазоне изучают спектры поглощения. В УФ и видимом диапазоне спектроскопия называется также спектрофотометрией. Исследуемый раствор помещается в кювету - сосуд с плоскопараллельными прозрачными стенками. Измерение поглощения света производится сравнением интенсивности двух лучей света внешнего источника: падающего на образец и прошедшего через него. Для того, чтобы сделать поправку на поглощение растворителем, используют эталонный образец с чистым растворителем. Светопоглощение измеряют по двух- или однолучевой схеме. В первом случае световой поток источника делят на 2 потока равной интенсивности и один пропускают через исследуемый раствор, другой - через эталонный, затем сравнивают интенсивности потоков на выходе. При однолучевой схеме оба раствора устанавливаются по очереди.

Для всех абсорбционных спектроскопических методов справедлив закон Бугера- Ламберта-Бэра: