Экстракционно - фотометрический метод анализа. Лекция Физ-Хим Методов. Курс лекций Рекомендовано научнометодическим советом Федерального государственного образовательного учреждения высшего
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
8.3. Основные узлы приборов. Для измерения флуоресценции ис- пользуют спектрофлуориметры и флуориметры, для измерения фос- форесценции – фосфориметры. Разберем их основные узлы. Источники возбуждения. Для возбуждения люминесценции ис- пользуют ртутно-кварцевые, ксеноновые, вольфрамгалогенидные лампы, дающие излучение в УФ и видимой областях. Устройства для выделения спектрального диапазона. В оптиче- ских схемах приборов для измерения люминесценции предусмотрено два таких устройства. Одно из них служит для выделения полосы из- лучения, возбуждающего вещества, второе – для выделения нужной длины волны (или интервала длин волн) из спектра люминесценции. Для этих целей используют призменные и дифракционные монохро- маторы (в спектрофлуориметрах) и светофильтры (в флуориметрах). Детекторы. Для детектирования люминесцентного излучения используют фотоумножители, преобразующие световой сигнал в электрический, и счетчики фотонов. Принципиальные схемы флуориметров. В приборе источник возбуждения, кювету с исследуемым раствором и детектор распола- гают в зависимости от способа измерения излучения: под прямым уг- лом к падающему свету, под небольшим углом к падающему свету (фронтальное освещение), без изменения направления (освещение в линию). Обычно в конструкциях флуориметров используется первый способ. В этом случае на детектор попадает меньшая доля посторон- него излучения от источника возбуждения. Во флуориметре свет от ртутно-кварцевой лампы попадает на первичный светофильтр, про- пускающий излучение с длинами волн возбуждения, и далее на кюве- ту с исследуемым раствором. Испускаемое люминесцентное излуче- 64 ние попадает на вторичный светофильтр, пропускающий люминес- центное излучение и задерживающий возбуждающее и рассеянное излучения. 8.4. Характеристики и закономерности люминесценции. Выход люминесценции. Часть поглощенной энергии при фотолюминесцен- ции тратится на безизлучательные переходы, т.е. не все поглощенные кванты света преобразуются в люминесценцию. Поэтому энергия ис- пускаемых квантов должна быть меньше энергии поглощаемых кван- тов. Эффективность преобразования возбуждающей энергии в лю- минесцентное излучение можно охарактеризовать энергетическим φ Е и квантовым φ lum выходами люминесценции: φ Е = Е lum /E abs ; φ lum = N lum /N abs , где Е lum и E abs – энергии излучаемая и поглощаемая; N lum и N abs – число квантов излученных и поглощенных соответственно. Спектр люминесценции. Зависимость интенсивности люминесцен- ции от длины волны или частоты излучения называют спектром люминес- ценции. Вид спектра не зависит от длины волны возбуждающегося света. Это понятно, если вспомнить, что излучение всегда происходит с низшего колебательного уровня первого возбуждающегося состояния независимо от того, какой квант поглощается молекулой и на какой энергетический уровень она при этом перейдет. Закон Стокса-Ломмеля. Потеря части энергии поглощаемых квантов света на безизлучательные процессы приводит к тому, что испускаемый квант имеет меньшую энергию и, следовательно, боль- шую длину волны, чем поглощенный. По закону Стокса-Ломмеля спектр флуоресценции в целом и его максимум сдвинуты по сравне- нию со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн. Разность длин волн в максимумах спектров флуоресценции и поглощения называют стоксовым смещением. Существует область длин волн, где кванты флуоресценции обладают большей энергией, чем поглощенные. Это объясняется тем, что часть молекул вещества может находиться на разных (но не на низшем) колебательных уров- нях основного состояния. В этом случае энергия переходов в возбуж- денное состояние может оказаться меньше энергии излучения. Одна- ко вклад таких переходов сравнительно мал, поэтому максимум 65 флуоресценции и спектр в целом смещены в длинноволновую об- ласть по отношению к спектру поглощения. Правило зеркальной симметрии В.Л. Левшина. Колебательная структура многих крупных органических молекул при возбуждении практически не изменяется, поэтому нормированные спектры погло- щения и флуоресценции, изображенные в функции частот, зеркально симметричны относительно прямой, проходящей через точку пересе- чения перпендикулярно оси частот (правило Левшина). Нормированными называют спектры, приведенные к одному максимуму. Спектры необходимо нормировать, так как интенсив- ность поглощения и излучения они получают в разных единицах. Для сравнения спектры предварительно преобразуют так, чтобы амплиту- ды их были одинаковы в максимумах. Правило зеркальной симметрии соблюдается не для всех ве- ществ. При выполнении правила справедливо соотношение: ν abs + ν fl = 2ν 0 и, следовательно, ν abs – ν fl = 2(ν abs – ν 0 ), где ν abs и ν fl – частоты поглощения и флуоресценции; ν 0 – частота в точке пересечения спектров. График зависимости (ν abs – ν fl ) от ν abs должен представлять собой прямую линию с тангенсом угла наклона равным 2. Соблюдение пра- вила зеркальной симметрии позволяет построить спектр флуоресцен- ции или поглощения, имея только один из них. Связь интенсивности флуоресценции и концентрации. При про- хождении потока света через раствор с концентрацией с часть потока поглощается, однако в флуоресценцию преобразуется лишь часть по- глощенного света, выражаемая квантовым переходом флуоресценции φ fl . Интенсивность флуоресценции I fl пропорциональна числу кванта флуоресценции: I fl = φ fl I abs. Интенсивность поглощения света I abs является разностью между ин- тенсивностями падающего света и прошедшего через слой длиной l (I l ): I abs = I 0 – I l По закону Бугера-Ламберта-Бера I l = I 0 ·10 -εlc Следовательно, I abs = I 0 – I 0 ·10 -εlc = I 0 (1 –10 -εlc ) и 66 I fl = φ fl ·I 0 (1 –10 -εlc ). Если произведение εlc невелико (<< 0,01), единицей в этом вы- ражении можно пренебречь, тогда I fl = 2,3φ fl ·I 0 εlc. При постоянной длине кюветы произведение 2,3φ fl ·I 0 εl – посто- янная величина, обозначаемая коэффициентом k, отсюда I fl = kс. Таким образом, при малых концентрациях наблюдается прямоли- нейная зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации. Тушение люминесценции. Уменьшение квантового выхода лю- минесценции называют тушением, оно может быть вызвано разными причинами. Ослабление свечения обычно наблюдается с повышением температуры (температурное тушение), а также под влиянием многих веществ, в том числе самого люминесцирующего вещества (самоту- шение, или концентрационное тушение). Причиной концентрацион- ного тушения могут быть химические изменения в системе. Напри- мер, в результате агрегации молекул могут получиться ассоциаты, не обладающие способностью люминесцировать либо имеющие другие измененные спектральные характеристики. При высоких концентрациях проявляется также эффект внутренне- го фильтра. При прохождении света через раствор интенсивность его падает. Следовательно, на молекулы раствора, находящиеся (в кювете) ближе к источнику возбуждения, падает свет большей интенсивности, чем на молекулы в толще слоя. Поскольку интенсивность флуоресцен- ции зависит от интенсивности падающего света I 0 , то по мере ослабле- ния потока I fl будет уменьшаться. При малой концентрации этот эффект незаметен, при большей существен. Тушение наблюдается также в присутствии примесей, например, кислорода, ионов переходных металлов, тяжелых атомов. 8.5. Практическое применение. В практике люминесцентных мето- дов значительное место занимает анализ обнаружения. По люминес- ценции фосфоров и других веществ обнаруживают инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и γ-излучение, регистрируют пото- ки протонов, нейтронов, электронов, α-частиц. Известны люминес- центные способы диагностики различных заболеваний. В оптико- механической промышленности люминесцентный анализ обнаруже- ния используют для маркировки различных сортов стекла, в резино- вой промышленности для контроля состава шихты, в бумажной – для 67 установления качества целлюлозы, в алмазодобывающей промыш- ленности по характерному свечению отбирают алмазы. Методы люминесцентного анализа успешно используют в ана- лизе лантаноидов, соединений урана и ряда других элементов. Лю- минесцентной способностью обладают многие органические соеди- нения: бензол, нафталин и их многочисленные производные, биоло- гически активные вещества (витамины, антибиотики, гормоны), мно- гие пигменты. Благодаря низкому пределу обнаружения и простоте применяемой аппаратуры люминесцентный анализ успешно развива- ется и является одним из перспективных методов. 8.6. Общая характеристика метода. Важнейшей особенностью лю- минесцентного метода анализа является его применяемость к определе- нию микропримесей. Погрешность метода составляет 5 … 7 %. Приме- нимость люминесцентного анализа очень широка. Он может быть ис- пользован для определения почти любого элемента, многих органиче- ских, биологически активных и других веществ. Контрольные вопросы 1. В чем сущность люминесцентного анализа? 2. Какие виды люминесценции существуют? Их характеристика. 3. Почему при комнатной температуре не все вещества люминес- цируют? 4. Является ли люминесценция равновесным процессом? 5. Как меняется интенсивность люминесценции при понижении температуры? 6. Почему нельзя долго освещать флуоресцирующие растворы при флуоресцентном анализе? Лекция №9 РЕФРАКТОМЕТРИЯ И ПОЛЯРИМЕТРИЯ План 9.1. Теоретические основы. 9.2. Приборы для определения показателя преломления. 9.3. Приборы для поляриметрических измерений. 9.4. Рефрактометрические и поляриметрические методики ана- лиза. 9.5. Практическое применение. 68 Рефрактометрический анализ основан на определении концен- трации веществ по показателю преломления света. Когда луч света переходит из одной прозрачной среды в другую, на границе сред на- правление его меняется, т.е. луч преломляется. Поляриметрический анализ основан на изменении угла враще- ния плоскости поляризации света оптически активных веществ 9.1. Теоретические основы. Рефрактометрия. При падении луча света на границу раздела двух прозрачных сред происходят частич- ное отражение света от поверхности раздела и частичное распростра- нение света в другой среде. Направление луча во второй среде изме- няется в соответствии с законом преломления: n 2(отн) = sinα 1 / α 2 (1) Величину n 2(отн) называют относительным показателем (коэффи- циентом) преломления второй среды по отношению к первой. Пока- затель преломления по отношению к вакууму называют абсолютным показателем преломления: n 2(абс) = sinα вакуум /sinα 2 Но так как для первой среды также можно записать n 1(абс) = sinα вакуум /sinα 1 , то очевидно, что n 2(отн) =sinα 1 /sinα 2 =sinα вакуум · n 2(абс) / sinα вакуум · n 1(абс) =n 2(абс) /n 1(абс) , (2) т.е. относительный показатель преломления равен отношению абсо- лютных показателей преломления. Из уравнения (2) получаем другую форму записи закона преломления: n 1(абс) / sinα 1 = n 2(абс) · sinα 2 Относительный показатель преломления по отношению к возду- ху называют просто показателем преломления n: n абс = n абс(воздух) n. При атмосферном давлении и комнатной температуре n абс(воздух) =1,00027, поэтому n абс = 1,00027n. Опыт показывает, что если свет переходит, например, из воздуха в какую-то конденсированную, более преломляющую среду, то угол падения всегда больше угла преломления. При переходе из среды, более преломляющей, в среду, менее преломляющую, угол прелом- ления α 2 оказывается больше угла падения α 1 . Если угол преломления α 2 =90 ° С, то, очевидно, преломления вообще не произойдет, и по- скольку sin 90°С=1, формула (1) переходит в n 1(отн) = sinα 1 . (3) 69 Угол α 1 , при котором преломление не происходит, называют углом полного внутреннего отражения, а также предельным или критическим углом. Уравнение (3) показывает, что по условию полного внутреннего отражения можно рассчитать показатель преломления. Это соотношение часто используют в практике рефрактометрии. Показатель преломления и плотность вещества изменяются симбатно, т.е. с ростом плотности происходит увеличение показателя преломления. Теоретическими и экспериментальными исследования- ми было установлено, что некоторая функция показателя преломле- ния f(n) прямо пропорциональна плотности вещества g: f(n) = rg. Коэффициент пропорциональности r назвали удельной рефрак- цией. При умножении r на молярную массу М получают молярную рефракцию R: R = Mr. Для выражения функции f(n) и, следовательно, для расчета реф- ракции было предложено несколько уравнений. Наибольшее распро- странение получила теоретически обоснованная формула Лоренц- Лорентца: R = (n 2 -1/n 2 +2)·(M/g). Величина рефракции, найденная по этой формуле, практически на зависит от внешних условий (температуры, давления и т.д.). В органической химии широко применяется правило аддитивно- сти молярных рефракций, в соответствии с которым молярная реф- ракция соединения равна сумме атомных рефракций элементов, обра- зующих это соединение, а рефракция смеси равна сумме молярных рефракций ее составных частей. Молярную рефракцию растворов можно поэтому рассматривать как линейную функцию их состава, выраженного в молярных долях. Поляриметрия. У обычного естественного луча колебания све- товой волны происходят во всех плоскостях, перпендикулярных на- правлению света. Луч, у которого эти колебания происходят только в какой-то одной плоскости, называют поляризованным, а плоскость, в которой происходят колебания, – плоскостью колебаний. Некоторые кристаллы обладают способностью пропускать свет одного опреде- ленного колебания. После прохождения такого кристалла луч света становится поляризованным. Вещества, способные изменять плос- кость поляризации, называют оптически активными веществами, а неспособные – оптически неактивными. При прохождении поляризо- 70 ванного света через оптически активное вещество происходит пово- рот плоскости поляризации на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации. Вращение называют правым и считают положительным (+), если оно происходит по часовой стрел- ке, когда смотрят навстречу лучу, и левым и считают отрицательным (–), если оно происходит против движения часовой стрелки. Перед названием или химической формулой правовращающего соединения обычно ставят букву d, а левовращающего – букву l. Оптически неак- тивную эквимолекулярную смесь право- и левовращающих изомеров называют рацемическим соединением. Перед их названием помещают обе буквы, например рацемат яблочной кислоты называется dl-яблочной кислотой. Вращение плоскости поляризации кристаллическими вещества- ми является важной характеристикой кристалла, которая широко ис- пользуется в технике микроскопии и в кристаллохимии. Оптическая активность газообразных молекул или растворенных веществ связана с особенностями строения молекул (например, отсутствием у них центра и плоскости симметрии и т.д.). Угол вращения плоскости поляризации α связан с концентраци- ей оптически активного вещества в растворе с (г/мл) и толщиной слоя раствора l (дм) соотношением: α = α уд lc, где α уд – удельное вращение плоскости поляризации. Оно зависит от природы вещества, длины волны поляризуемого света, растворителя и температуры. Символ α D 20 означает, что удель- ное вращение плоскости поляризации относится к 20°С и желтой D- линии натрия. Молярное вращение плоскости поляризации Ф равно произведению α уд на молярную массу М. Особый интерес представляет зависимость удельного, или мо- лярного, вращения плоскости поляризации от длины волны света. Эту зависимость называют дисперсией оптического вращения. Оптическое вращение растет с уменьшением длины волны. В области полосы спектра поглощения оно достигает максимума и за- тем быстро падает до минимума, после которого медленно возрастает (эффект Коттона). 9.2. Приборы для определения показателя преломления. Для оп- ределения показателя преломления в наиболее широко применяемых приборах используют измерение угла полного внутреннего отраже- 71 ния. Основной частью прибора является измерительная призма из оп- тического стекла с точно известным показателем преломления N. Ис- точником света служат натриевая лампа или газоразрядная трубка (водородная, гелиевая или ртутная), дающая линейчатый спектр. В рефрактометре Аббе освещение производится белым (немонохром- ным) светом. Луч света падает на кювету, находящуюся на входной грани измери- тельной призмы. Входная грань находится в оптическом контакте с иссле- дуемой жидкостью и служит границей раздела, на которой происходят преломление и полное внутреннее отражение. Если угол близок к пре- дельному, поле зрения трубки оказывается разделенным на светлую (ос- вещенную) и темную (неосвещенную) части. В комплект рефрактометра обычно входит несколько призм, по- зволяющих работать в различных диапазонах значений показателя преломления. Наиболее известны конструкции рефрактометров типов Пульф- риха и Аббе. Кроме метода предельного угла для измерения показа- теля преломления используется метод призмы, а также иммерсион- ный, интерференционные и некоторые другие методы. Показатель преломления в иммерсионном методе находят при качественном сравнении исследуемого вещества с эталонными сре- дами. Чтобы найти показатель преломления, например, каких-либо минеральных зерен или кристаллов, их последовательно рассматри- вают под микроскопом в жидкостях с известными показателями пре- ломления. Иммерсионный метод широко используется в практике минера- лого-петрографических исследований. Большое значение он имеет для определения состава бинарных изоморфных смесей карбонатов, сульфатов и др., при исследовании продуктов химической техноло- гии. Этот метод позволяет определять состав совместно кристалли- зующихся отдельных твердых фаз, отличать двойные соли от меха- нической смеси солей, различать изомеры и решать другие задачи. Он очень удобен при анализе взрывчатых и ядовитых веществ, так как для анализа требуются ничтожно малые пробы вещества. Однако, не- смотря на ряд бесспорных достоинств, иммерсионный метод сравни- тельно редко применяется в практике аналитических лабораторий. |