Спектральные методы исследования
Лекция №6
Спектральные методы исследования
1 Общие сведения о спектральных методах исследования
2 Фотометрия
3 ИК-спектрометрия
4 Молекулярно-флуорисцентная спектрометрия
5 Атомная спектроскопия
1 Общие сведения о спектральных методах исследования
Спектральные методы исследования основаны на использовании явлений поглощения (или испускания) электромагнитного излучения атомами или молекулами определенного вещества.
Рекомендуемые материалы
Поглощение или испускание квантов анализируемой системой зависит от её качественного и количественного состава. При этом частота (длина волны) излучения определяется составом вещества, а интенсивность аналитического сигнала пропорциональна количеству частиц, вызвавших его появление.
Механизмы взаимодействия излучения с исследуемым веществом в каждой области электромагнитного спектра различны. Наиболее важными являются атомные и молекулярные переходы.
При обычных условиях атомы находятся в основном энергетическом состоянии. При облучении потоком энергии внешние электроны атомов поглощают фотоны и возбуждаются. При возвращении возбуждённого электрона в основное состояние происходит излучение. Спектр излучения каждого атома является линейчатым (дискретным) индивидуальным.
На рис. 1 представлена диаграмма энергетических уровней внешних электронов молекулы.
Рис. 1. Диаграмма энергетических уровней молекулы:
/ – поглощение; //–колебательная дезактивация; III – колебательная релаксация; IV– флуоресценция
Переходы в атомах и молекулах можно изучать, наблюдая избирательное поглощение или излучение в определенных областях электромагнитного спектра. Так, переходы между электронными уровнями наблюдаются в УФ- и видимой областях; переходы между колебательными подуровнями в пределах одного электронного уровня находятся в ближней и средней ИК-областях. Избирательное поглощение в дальней ИК- и микроволновой областях связано с низкоэнергетическими переходами, вызванными вращением молекул, изменением ориентации спинов электронов или ядер атомов.
По источнику и типу аналитического сигнала спектральные методы разделяют на молекулярно-абсорбционную спектрометрию (MAC) и молекулярно-люминесцентную (MJIC), или флуориметрию; на атомно-абсорбционную (ААС) и атомно-эмиссионную (АЭС), а также спектрометрию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
2 Фотометрия
В фотометрии исследуемые аналитические сигналы находятся в области от 200 до 750 нм (УФ-излучение и видимый свет) вызванные электронными переходами внешних валентных электронов
Фотометрический метод количественного анализа основан на способности определяемого вещества или компонента смеси поглощать электромагнитное излучение оптического диапазона. Способность к поглощению зависит от цветности исследуемого вещества.
Для придания исследуемому веществу в анализируемом растворе окраски используют специальные вещества, содержащие хоромофорные группы, или проводят реакции взаимодействия вещества с металлом (тяжёлым металлом) для образования окрашенного комплекса.
Для каждого поглощающего вещества имеется определенное распределение интенсивности поглощения по длинам волн. Концентрацию поглощающего вещества находят при длине волны, соответствующей его максимальному поглощению, с учётом интенсивности поглащения.
На практике для установления математической зависимости концентрации исследуемого вещества в анализируемом растворе от интенсивности поглощения электромагнитного сигнала (оптическая плотность раствора) раствором строят калибровочный график. Для этого используют стандартные пробы с известной концентрацией исследуемого вещества и определяют в них величину поглощения электромагнитного сигнала. Калибровочный график в достаточно широкой области является линейным.
Промышленностью выпускаются различные приборы молекулярно-абсорбционной спектрометрии – колориметры, фотометры, фотоэлектроколориметры, спектрофотометры и т. д., в которых установлены различные комбинации источников света, монохроматизаторов и рецепторов. Приборы можно классифицировать следующим образом: по способу измерения – однолучевые с прямой схемой измерения (прямопоказывающие) и двухлучевые с компенсационной схемой.
|
Рис. 3. Схема двухлучевого спектрометра: 1 – источник излучения (штифт Нерста или ртутная лампа для инфракрасного излучения, лампа накаливания с вольфрамовой нитыо для видимого света; водородная газоразрядная лампа для УФ-излучсния); 2– монохроматор (дифракционная решетка или призма) с шелыо для регулирования интенсивности излучения; 3– кювета с исследуемой пробой; 4 ~ кювета с контрольной пробой; 5–фотоэлементы сравнения; б–блок регистрации (графической, оптической и цифровой) |
|
Рис. 4. Схема однолучевого фотометра: 1– источник света; 2 –линза; 3– фильтр; 4–кювета с контрольной пробой; 4' – кювета с исследуемой пробой; 5– фотоэлемент; |
3 ИК-спектрометрия
Инфракрасная спектроскопия – это метод анализа химических соединений, при котором поглощается энергия в пределах инфракрасного излучения (тепловое излучение) области электромагнитных излучений с длиной волы от 0,8 до 12 мкм.
ИК-спектроскопию применяют для определения практически любой функциональной группы (спиртовая, кислотная, альдегидная, сложноэфирная, пептидная и т.д.). Таким образом, ИК-спектрометрия даёт возможность определить качественный состав вещества и строение молекулы.
Количественный анализ по инфракрасным спектрам также основан на построении и использовании градуировочного графика.
Использование спектрометрического ИК-метода позволяет точно и быстро контролировать основные показатели состава молока и молочных продуктов (жир, белок, влага, лактоза и др.). При использовании этого метода практически отсутствует подготовка пробы продукта.
Инфракрасные анализаторы для контроля состава молока работают в диапазоне волн 2,5– 12 мкм. Метод основан на свойстве компонентов молока (жира, белка, лактозы и воды) избирательно поглощать ИК-излучение на определенных длинах волн. Так, максимумы поглощения жира наблюдаются при длинах волн 3,5 и 5,73 мкм, белка – 6,46, лактозы – 9,6, воды – 4,42 мкм.
В общем случае ИК-анализатор представляет собой однолучевой или двухлучевой инфракрасный спектрофотометр.
Приборы для инфракрасной спектрометрии: БИК-анализатор «Аналикон» (Россия); «Милко-Скан» (Foss-Electric Дания); Aegusmi 200 (Anadis instruments Франция). Контролируемые показатели в указанных приборах достаточно широки: массовые доли жира, белка, лактозы, СОМО, сухих веществ, фруктозы, глюкозы, сахарозы, мочевины, карбоксильных кислот.
4 Молекулярно-люминесцентная спектрометрия или флуориметрия
Метод анализа, основанный на измерении интенсивности флуоресценции, называется флуориметрией. Флуоресценция (люминесценция – испускание света) обусловлена поглощением веществом света определенной длины волны. Поглощение ультрафиолетового света определенными молекулами с легковозбуждаемыми электронами приводит к флуоресценции в видимой спектральной области.
Флуоресценция свойственна относительно небольшому числу соединений (прежде всего ароматическим соединениям и порфиринам), что определяет высокую селективность указанного метода. Ряд соединений можно перевести во флуоресцирующие, введя в молекулу флуоресцирующую группу, т. е. флуорофор (люминофор).
Принципиальная схема типового флуориметра показана на рис. 9. Излучение I0 источника 1 (кварцевая лампа), выделенное первичным светофильтром 2, попадает на кювету с пробой 3. Возникающее излучение Iф через вторичный светофильтр попадает на фотоэлемент или фотоумножитель 5, где преобразуется в электрический сигнал, который усиливается электронным усилителем 6 и измеряется миллиамперметром 7.
 |
Рис. 9. Принципиальная схема флуориметра:
1 – источник УФ-излучения; 2– первичный светофильтр; 3 – кювета с пробой; 4 – вторичный светофильтр; 5 – фотоэлемент; 6– электронный усилитель; 7– миллиамперметр
Метод применяют для чувствительного определения очень малых количеств элементов при анализе органических веществ, при определении малых количеств витаминов, гормонов, антибиотиков, канцерогенных соединений и др. Методом флуориметрии можно определить содержание жира в молоке; а самое главное – этим методом можно определить количество микроорганизмов в сырье, продукте, смывах, при контроле качества мойки оборудования; контролировать молоко на мастит по содержанию соматических клеток и т. п.
На основе данного метода фирмой Foss-Electric (Дания) разработан анализатор «Бактоскан». Время анализа одной пробы до 7 мин. Пределы измерения от 50 тыс. до 10 млн бактерий в 1 см3. Прибор имеет достаточно сложную конструкцию и рассчитан на использование в региональных центрах или на крупных предприятиях.
На основе флуорисцентного метода фирмой Foss-Electric (Дания) создан ряд приборов («Фоссоматик 90», «Фоссоматик 180/215» и др.), различающихся производительностью. Аналогичные приборы Anadis SCC выпускаются фирмой Anadis I nstruments (Франция).
Известен также флуоресцентный метод определения микробных и соматических клеток, основанный на измерении интенсивности флуоресценции АТФ, содержащейся в клетках. АТФ содержат только живые клетки, мертвые клетки быстро теряют АТФ вследствие автолизиса, поэтому с помощью данной методики определяют количество живых клеток. Метод получил название биолюминесцентного.
5 Атомная спектроскопия
В атомной спектроскопии вещества исследуют, переводя их в состояние атомного пара (атомно-абсорбционная спектроскопия – ААС) или газообразное состояние (атомно-эмиссионная спектроскопия – АЭС).
В атомно-абсорбционной спектроскопии для возбуждения атомов используют тепловую энергию. Распыляя образец в пламени, соединения переводят в атомный пар (атомизация). Большинство атомов, возбуждаясь, переходит на более высокий энергетический уровень. При обратном переходе происходит выделение энергии. В процессе облучения атомов исследуемого элемента, находящихся в состоянии пара, линейчатым излучением того же самого элемента в возбужденном состоянии происходит резонансное поглощение. Этот процесс сопровождается уменьшением интенсивности линейчатого излучения. Измеряемое поглощение является мерой концентрации свободных атомов образца.
В атомно-эмиссионной спектроскопии возбуждения происходят при помощи электрических зарядов. При этом создаются высокие температуры, благодаря которым большинство атомов переходит в возбужденное состояние. Поглощение энергии этими атомами невозможно, поэтому происходит эмиссия (испускание) фотонов возбужденных атомов.
Метод атомной спектроскопии находит широкое применение в химии, биохимии, экологии и др., а также в анализе различных видов сырья и пищевых продуктов. Метод позволяет определить около 70 различных элементов; используется для одновременного определения большого числа элементов (многоэлементный анализ); для серийного анализа, благодаря высокой чувствительности и быстроте.
Информация в лекции "20 Сущность воспитания" поможет Вам.
Пределы обнаружения элементов методом атомной спектроскопии достигают 10-12÷10-14 г на 100 г продукта.
Приборы, позволяющие осуществить метод АЭС, имеют те же основные части, что и атомно-абсорбционный спектрометр. Сравнительная блок-схема АЭС и ААС-спектрометров приведена на рис. 13.
|
Рис. 13. Блок-схемы атомно-эмиссионного и атомно-абсорбционного спектрометров: 1 - лампа с полым катодом; 2 – анализируемые образцы для АЭС и ААС методов; 3 – монохроматор с дифракционной решеткой или фильтром; 4– фотоумножитель; 5 – усилитель; 6– регистрирующий прибор |
Излучение анализируемого образца 2 поступает на монохроматор 3 для выделения части спектра определенной длины, а затем на фотоумножитель 4, усилитель 5 и регистрирующий прибор 6. Время анализа на современных полностью автоматизированных спектрометрах от введения пробы до распечатки результатов составляет около 10 с.
