VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Спектроскопия – это раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения, включающий в себя методы количественного и качественного анализа, основанные на взаимодействии света с живой и неживой материей [1].

Все химические соединения взаимодействуют с электромагнитным излучением, уменьшая интенсивность его потока.

Наблюдение за изменениями в спектральных параметрах электронных спектров позволяет устанавливать более подробные состав проб неизвестного состава.

Спектрофотометрический метод анализа — основан на поглощении монохроматического излучения, т. е. излучения с одной длиной волны в видимой и УФ областях спектра.

Методы спектроскопии можно условно поделить на две группы [2]:

1. Методы оптической атомной спектроскопии, основанные на изменении энергии валентных электронов свободных атомов

2. Методы, основанные на возбуждении электронов внутренних оболочек под воздействием излучения более высокой энергии, которые находятся в рентгеновской области спектра

Основой качественного спектрального анализа является свойство каждого химического элемента излучать характерный линейчатый спектр. Задачей качественнго спектрального анализа сводится к отыскиванию линий определяемого элемента в спектре пробы. Доказательством того, что линия принадлежит данному элементу, являются длина волны и интенсивность линии. При уменьшении содержания элемента в пробе интенсивность линий этого элемента в спектре будет уменьшаться, некоторые линии исчезнут и число линий уменьшится. При очень малой концентрации останется всего несколько линий, по которым обычно проводится качественный анализ. Последние линии хорошо изучены, их длины волн и характеристику интенсивности можно найти в специализированных таблицах и справочниках. Для расшифровки спектра и определения длины волны анализируемой линии пользуются спектрами сравнения, в которых длины волн отдельных линий хорошо известны [3].

Слово "спектр" в переводе с латинского означает "появление" или "схема". Исаак Ньютон в 1666 г. первым с помощью призмы расщепил солнечный свет на спектральные составляющие. В 1758 г. Маркграф впервые, используя окраску цвета пламени, открыл способ визуального определения вещества. В 1802 г. английский физик Волдастон объяснил эксперимент Ньютона с призмой, усовершенствовал его и впервые наблюдал многочисленные темные линии в солнечном спектре. В то же время Гершель и Тальбот проводили эксперименты со светом пламени, и в 1834 г. Тальбот спектрально разделил красный цвет пламени стронция и красный цвет лития, что считается зарождением аналитической оптической спектроскопии. Этот новый метод исследования, названный оптической спектроскопией, развивается с 1834г. до настоящего времени. Особое внимание следует уделить работе в этой области физики Фраунгофера, который разработал спектроскопию на дифракционных решетках и получил 1500 линий в спектре солнечного света [4].

В 1885 г. швейцарский ученый Бальмер открыл серию так называемых спектральных "линий Бальмера" в спектре водорода. В 1897 г. английский ученый Томпсон открыл электрон, а в 1911 г. его соотечественник Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро. В 1900 г. Макс Планк сформулировал первые законы квантовой теории. Вернер Гейзенберг (1932 г.) и Эрвин Шредингер (1933 г.) получили Нобелевскую премию за пионерские работы по квантовой механике. В дальнейшем концепцию квантовой механики развивали Поль Дирак и Вольфганг Паули (1945 г.), которые также получили Нобелевскую премию. На протяжении многих десятилетий в спектроскопии использовались обычные вольфрамовые лампы накаливания, призмы, дифракционные решетки и детекторы света, которые ограничивали результаты узким диапазоном видимой области между 500 и 700 нм.

Рынок спектрального аналитического оборудования стал быстро развиваться и совершенствоваться только после второй мировой войны. Вследствие лучшего разрешения и меньшего количества рассеянного света вместо призм стали использоваться дифракционные решетки и двойные монохроматоры с автоматическим сканированием, дающие исправленные спектры, что способствовало их использованию в рутинной аналитической работе. Существенное снижение рассеянного света привело к совершенствованию детектирующих возможностей спектрофотометров на 4-5 порядков величины [4].

С конца 70-х годов спектрометры стали изготавливать на базе микрокомпьютеров, что не только облегчило измерения, но и позволило проводить анализ в непрерывном режиме.

Основные приборы, используемые в спектроскопии

Колориметры и фотоколориметры

Колориметр (рис.1) — прибор для измерения интенсивности цвета в какой-либо цветовой модели или для сравнения интенсивности окраски исследуемого раствора со стандартным [4].

Фотоколориметр (рис.2) - прибор, предназначенный для определения количества окрашенного вещества путем измерения величин поглощения и пропускания в видимой части электромагнитного спектра [4].

Рис.1 Колориметр Рис.2 Фотоколориметр КФК-2

Спектрофотометры

Основное отличие спектрофотометраот фотоколориметра состоит в возможности пропустить через исследуемый образец световой поток любой требуемой длины волны, проводить фотометрические измерения, сканируя (просматривая) весь диапазон длин волн не только видимого (VIS) света - от 380 до 750 нм, но и ближнего ультрафиолета (UV) - от 200 до 380 нм.

Рис. 3Многофункциональный спектрофотометр LEKI SS2107 Спектроскопические методы анализа

1. Спектрофотометрический анализ (атомно-абсорбционный анализ)

Объектом спектрофотометрических измерений, как правило, являются растворы. Фотометрируемый раствор помещают в кювету – сосуд с плоскими параллельными прозрачными гранями.

Данный метод основан на поглощении света. Его измеряют путем сравнения интенсивности света при прохождении через образец. Чтобы исключить влияние светорассеяния под действием инородных примесей. Исследуемы раствор должен быть прозрачным. При анализе используют раствор сравнения, в качестве которого может выступать чистый растворитель или раствор контрольного опыта, содержащий все компоненты, кроме анализируемой пробы [5].

Измерение светопоглощения проводят по двух- или однолучевой схеме. При двухлучевой схеме световой поток источника делят на два потока равной интенсивности и пропускают один из них через анализируемый раствор, а второй – через поток сравнения. Величину светопоглощения находят путем сравнения интенсивности потоков на выходе из обоих растворов. При однолучевой схеме раствор сравнения и анализируемый раствор устанавливают на пути потока поочередно [6].

Данный метод фактически базируется на закон Бугера-Ламберта-Бера, который определяет постепенное ослабление параллельного монохроматического (одноцветного) пучка света при распространении его в поглощающем веществе. Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания Т (1)

T = I/I₀(1)

где I и I₀ - соответственно интенсивность света, прошедшего через раствор и растворитель.

Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью D (2)

D = εlc (2)

где ε – молярный коэффициент поглощения, l – толщина светопоглощающего слоя; с – концентрация раствора.

Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашенных веществ, обладает свойством аддитивности (т.н закон аддитивности светопоглощения).

Спектрофотометрический анализ применяется для определения многих элементов периодической таблицы, в основном металлов. Методы данного анализа имеют высокую чувствительность и могут быть применены для анализа больших и малых содержаний [6].

2. Ультрафиолетовая и видимая спектроскопия

Применение электронной спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой областях спектра для анализа функциональных групп ограничено тем, что соответствующие спектры имеют небольшое число полос поглощения. Их преимущество в сравнении со спектроскопией в ИК-области спектра заключается в большей чувствительности, что позволяет исследовать очень разбавленные растворы. Имеющиеся недорогие, простые в обращении современные записывающие спектрофотометры дают возможность быстро обнаруживать присутствие сильных хромофорных групп в образце [7].

Например, сильное поглощение соединения в области 220— 250 нм позволяет предположить, что имеется сопряженная система из двух связей (например, диен или ненасыщенный кетон). Сопряженные системы, содержащие 3, 4 и 5 двойных связей, обладают более сильным поглощением в области 260, 300 и 330 нм соответственно. Появление полосы средней интенсивности с тонкой структурой в области 250—270 нм обусловлено поглощением бензольного кольца. Наличие полярных заместителей приводит к значительному сдвигу полосы и одновременно к исчезновению тонкой структуры. При этом интенсивность полосы также увеличивается по меньшей мере на порядок. Кетоны и альдегиды дают полосу поглощения слабой интенсивности при 290 нм. Следовательно, если исследуемый образец не поглощает в области спектра выше 220 нм, то присутствие указанных выше групп можно исключить.В насыщенных молекулах некоторые гетероатомы (S, N и I) сильно поглощают при длине волны около 200 нм. Примером служат CH₂I₂ ,C₂H₅SH, C₂H₅SC₂H₅и ациклические дисульфиды (например, C₂H₅SSC₂H₅), растворенные в насыщенных углеводородах.УФ-спектры, содержащие две или большее количество интенсивных полос поглощения, позволяют достаточно надежно доказать идентичность образца, в особенности если имеется спектр эталонного образца (или соответствующие литературные данные) [7].

3. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) весьма эффективна при идентификации функциональных групп, в особенности при выяснении структуры сложных молекул. Спектроскопия ЯМР основана на том, что магнитный момент атомного ядра образует определенный угол с силовыми линиями внешнего магнитного поля. В квантовых состояниях, соответствующих различным направлениям магнитного момента, энергия системы различна. Для изменения квантового состояния затрачивается определенная энергия, и, когда она подводится к системе в виде излучения, изменение направления магнитного момента ядра происходит при поглощении излучения данной частоты. Частоты, соответствующие различным изменениям состояния, определяют поглощение в микроволновой области электромагнитного спектра (доходящей до ИК-области), которое зависит от напряженности приложенного магнитного поля. На практике напряженность магнитного поля подбирают такой, чтобы облучение происходило в области радиочастот.

Резонансное поглощение атомных ядер измеряют следующим образом. Ампулу с образцом (или раствором образца) помещают в катушку радиочастотного контура и все это располагают между полюсами электромагнита, имеющего сильное и однородное магнитное поле (10^4—10⁹ Гс). При изменении частоты тока в катушке или чаще всего напряженности магнитного поля в определенный момент внезапно происходит увеличение потерь переменного тока. При правильной регулировке потенциал на выходе отражает поглощение образца, помещенного в переменное поле, и наблюдаемые изменения можно зарегистрировать как функцию частоты. Частота ядерного резонанса сильно зависит от окружения данного ядра, и расщепление сигнала также происходит под влиянием соседних атомов [7].

В аналитических целях используют значения химических сдвигов парамагнитного резонанса. Положение резонансной линии поглощения протона в различных веществах отличается от положения сигнала в идеальной спиновой системе, содержащей только протоны, т. е. линии протонного магнитного резонанса функциональных групп сдвинуты относительно линии поглощения протона. Химические сдвиги легко измерить приборами высокого разрешения и, таким образом, идентифицировать определенные группы, например —СН_з, =СН₂ и —ОН-группы, которые наблюдаются в виде четко разделенных сигналов. Интегральная интенсивность сигналов (площадь под кривой) зависит от числа эквивалентных атомов водорода в группе, например сигнал группы —СН_з в три раза интенсивнее сигнала ОН-группы.

Химический сдвиг измеряют относительно сигнала стандартного вещества (внутреннего эталона), в качестве которого обычно используют тетраметилсилан (СН₃₎₄Si. Это вещество химически инертно, легко смешивается с большинством веществ, магнитно изотропно и дает легко идентифицируемый резкий сигнал протонного резонанса.

Химические сдвиги, обычно измеряемые в единицах частоты (герцах), намного меньше измеренной частоты. Значение химического сдвига для линии (в миллионных долях) рассчитывают по уравнению (3):

млн^-1_e_i₀^(3)

где _e_i — сдвиг между неизвестной группой и стандартной линией, измеренный в герцах; _o—частота генератора.

По техническим причинам при записи спектра ЯМР магнитное поле измеряют при фиксированной частоте vo, а расстояние между линиями выражают в герцах. Так как сдвиг может быть и положительным, и отрицательным, положению линии внутреннего эталона приписывают значение 10 и после вычитания из :нее величины 6 рассчитывают величину относительного сдвига т по формуле (4):

_e_i₀^(4)

Таким образом, значения  обычно имеют положительную величину.

Величины химических сдвигов для индивидуальных групп приведены в литературе. Спектроскопия протонного магнитного резонанса используется не только для анализа функциональных групп, но и для стереохимических исследований [7].

4. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в принципе имеет сходство со спектроскопией ЯМР. При изучении спиновых переходов электронов требуется применение микроволновых частот в однородном магнитном поле напряженностью 3000—13000 Гс, поэтому радиочастотную технику, используемую в спектроскопии ЯМР, здесь заменяют на микроволновые методы. Так как электронный парамагнитный резонанс происходит только при наличии неспаренных электронов, этот метод пригоден только для изучения свободных радикалов, парамагнитных соединений и некоторых металлоорганических веществ, однако при изучении свободных радикалов он незаменим [7].

5. Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия является наиболее современным методом определения молекулярной массы, дающим очень точные результаты. Прибор с простой фокусировкой обеспечивает точность 0,2%, а с двойной — менее 0,01 %.

Масс-спектрометрия – это физический метод, основанный на измерении массы заряженных частиц материи, который используется для анализа вещества. Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества. Современные масс спектрометры способны фрагментировать детектируемые ионы и определять массу полученных фрагментов, вернее соотношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле.

Таким образом, масс-спектр – это просто рассортировка заряженных частиц по отношениям массы к заряду. Так как большинство небольших органических молекул при ионизации приобретает только один заряд, то для упрощения говорят о разделении веществ по массе. Важным исключением из этого правила являются белки, нуклеиновые кислоты и другие полимеры, которые способны приобретать множественные заряды.

Масс-спектроскопия позволяет получать данные о структуре вещества [2].

Принцип метода заключается в следующем. Образец испаряют и вводят в ионизационную камеру прибора (если определяется молекулярная масса, то вещество в этих условиях должно оставаться стабильным). В ионизационной камере молекулы вещества под действием электронов различной энергии (50—70 эВ) превращаются в положительные молекулярные ионы (5) :

(5)

Молекулярные ионы образуются вблизи от положительно заряженного ускоряющего электрода, имеющего потенциал около 2 кВ. Положительные ионы под действием электростатических сил отталкиваются от электрода и с помощью вспомогательных электродов формируются в ионный пучок, который фокусируется на выходную щель ионизационной камеры. Затем ионный пучок проходит через магнитное поле, создаваемое электромагнитом. В результате этого направление пучка обычно изменяется на 90° и молекулярные ионы начинают двигаться по разным траекториям, определяемым отношением массы т к заряду е (6):

M/e = H²r²/2V (6)

где H —напряженность магнитного поля, r—радиус орбиты, V— потенциал ускоряющего электрода. Ускоряющий потенциал и напряженность магнитного поля подбирают таким образом, чтобы пучок определенных ионов (частиц, имеющих почти одинаковые величины т/е) проходил через выходную щель и попадал на коллектор ионов. Величина ионного тока составляет около lO^-12A. Затем этот ток усиливается с помощью электронного умножителя. Измеряемый ток пропорционален количеству исследуемых ионов. В приборах с двойной фокусировкой разделение ионного пучка последовательно проводится в электростатическом и магнитном анализаторах. В результате этого направление движения ионов меняется почти на 180° и достигается более высокое разрешение.

6.Люминесцентный анализ.

В определенных условиях часть поглощенной веществом энергии может выделиться в виде вторичного излучения. Это явление называют люминесценцией. Кванты вторичного излучения, испускаемого люминесцирующими атомами, молекулами или ионами, имеют меньшую энергию, чем кванты, которые те же частицы поглощали при своем возбуждении [8].

По спектрам люминесценции опознают особо опасные органические вещества в объектах окружающей среды (на уровне 10^-6% и ниже). Люминесцентные детекторы применяют в хроматографическом анализе, измеряя интенсивность свечения веществ, по очереди выходящих из хроматографической колонки. Люминесцентный анализ применяют в криминалистической экспертизе и для диагностики заболеваний.

Люминесцировать могут далеко не все молекулы, поглощающие свет. Большая часть органических веществ, способных люминесцировать, – это ароматические соединения, имеющие жесткую структуру молекулы.

Фенолфталеин Флуоресцеин

Рис 7. Строение фенолфталеина и флуоресцина

Так, фенолфталеин и флуоресцеин имеют сходное строение молекул (см. рис.7). Но у фенолфталеина все три бензольных кольца могут свободно колебаться друг относительно друга, и это соединение не люминесцирует. У флуоресцеина же возможность внутримолекулярных колебаний гораздо меньше (кислородный мостик жестко фиксирует два бензольных кольца), и это соединение интенсивно светится в видимой области при облучении его раствора УФ-светом.

В данном анализе используют различные спектрофлуориметры.

В обычных условиях любые спектры люминесценции индивидуальных веществ являются широкополосными. Спектры испускания люминесценции похожи на спектры поглощения соответствующих молекул. Однако возбужденные молекулы Х успевают растратить некоторую часть ранее поглощенной энергии (на так называемые безызлучательные переходы,), прежде чем испустят кванты вторичного излучения. Именно поэтому спектр испускания люминесценции смещен по отношению к спектру поглощения в более длинноволновую область. Чаще всего вещество поглощает возбуждающий свет в УФ-области, а люминесцирует – в видимой..

Если вещество способно и флуоресцировать, и фосфоресцировать, то его спектр испускания фосфоресценции сдвинут в длинноволновую сторону еще сильнее, чем спектр флуоресценции (рис.8.).

Рис 8. Спектры поглощения (А), флуоресценции (Б) и фосфоресценции (В) одного соединения

По появлению люминесценции при УФ-облучении пробы, а также по характерному цвету люминесценции можно визуально опознавать некоторые элементы, например, уран, находящийся в растворе в виде ионов [8].

По характерному цвету люминесценции выявляют и присутствие некоторых органических соединений. Например, полиароматические углеводороды (ПАУ) дают синее свечение, а смолы и асфальтены – сине-зеленое. В этих случаях люминесценцию наблюдают визуально, облучая анализируемый образец ультрафиолетовым светом ртутной лампы.

В настоящее время область применения спектроскопии широка и многообразно. В данной работе выборочно были представлены наиболее распространенные методы спектроскопического анализа.

Литература:

1. www.dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/5689/СПЕКТРОСКОПИЯ

2. Федорова Э.И. // Инструментальные методы анализа органических соединений [Электронный ресурс] учебное пособие – СЛИ, 2013 – с.5-12

3. Васильев В.П. // Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа: учебник для химико-технол. спец. Вузов. – М.:Высш. Шк., 1989. – с.50-52

4. Свободная Интернет энциклопедия "Википедия" //http://wikipedia.org/

5. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=515089

6. Гармаш А.В. //Введение в спектроскопические методы анализа. Оптические методы анализа. – Москва. 1995. – с.8

7. Физические и физико-химические методы исследования в органической химии // http://trotted.narod.ru/organic/lec-50-51/50-51.html

8. Спектроскопические методы анализа //http://crus55.narod.ru/11.htm

Код для цитирования: Скопировать