Количественные определения. Уменьшение интенсивности ре- зонансного излучения в условиях атомно-абсорбционной спектроско- пии подчиняется экспоненциальному закону убывания интенсивно- сти в зависимости от длины слоя и концентрации вещества, анало- гично закону Бугера-Ламберта-Беера. Если I0 - интенсивность па- дающего монохроматического света, а I - интенсивность этого света, прошедшего через пламя, то величину lg(I0/ I) можно назвать оптиче- ской плотностью. Концентрационная зависимость оптической плот- ности выражается уравнением
где k - коэффициент поглощения; l - толщина светопоглощаю- щего слоя (пламени); c - концентрация.
Постоянство толщины светопоглощающего слоя, т.е. пламени, достигается с помощью горелок специальной конструкции.
Оптическая плотность согласно вышеприведенной формуле прямо пропорциональна концентрации вещества. Опыт показывает, что зависимость оптической плотности от концентрации часто оказы- вается не строго линейной. Отклонения от линейности вызываются несколькими причинами, среди которых наиболее существенное зна- чение имеют такие, как нестабильность работы различных узлов спектрофотометра (источника возбуждения и др.), немонохроматич- ность линий испускания, вызванная сверхтонкой структурой, образо- вание в пламени различных соединений определяемых элементов с кислородом или сопутствующими элементами и т.д. В практике ана- лиза обычно применяют метод градуировочного графика или метод добавок.
В методе градуировочного графика измеряют оптическую плот- ность нескольких стандартных растворов и строят график в коорди- натах А - с. Затем в тех же условиях определяют оптическую плот- ность анализируемого раствора и по градуировочному графику нахо- дят его концентрацию.
При работе по методу добавок сначала измеряют оптическую плотность анализируемого раствора (Ах), затем вводят в анализируе- мый раствор определенный объем стандартного раствора и снова из- меряют оптическую плотность (Ах+сm).
Если сх - концентрация анализируемого раствора, а ссm стан- дартного, то
Учитывая, что k и l одинаковы, получаем
И окончательно
сх = ссm.(2)
Метод применим для систем, подчиняющихся в исследуемой облас- ти концентраций уравнению (1). Можно использовать также графический метод нахождения сх на основе уравнения (2), откладывая на графике Ах+сm как функцию
Практическое применение. Методы атомно-абсорбционной спектро- скопии могут быть использованы в анализе практически любого техниче- ского или природного объекта, особенно там, где необходимо определять небольшое содержание элементов. Методики атомно-абсорбционного оп- ределения разработаны более чем для 70 элементов (Mg, Zn, Cu, Ca, Pb, Fe, Ag, Ni, Hg, Cd, Bi и др.). Из технических объектов методами атомно- абсорбционной спектроскопии анализируют металлы, сплавы, продукты гидрометаллургической переработки руд, различные концентраты и т.д. Например, в золоте определяют серебро, свинец, медь и цинк при содер- жании 10-4%. Примерно такие же концентрации кадмия и свинца находят в цирконии. Успешно применяются атомно-абсорбционные методики для определения цинка, железа, магния, меди и некоторых других элемен- тов в почвах, удобрениях, растениях и других агрохимических мате- риалах при содержании порядка 10-4 или 10-5 %. Атомно- абсорбционный метод используется также в клинических и различ- ных биологических анализах (кровь, сыворотка и т.д.) на свинец, ртуть, висмут и другие элементы.
7.1. Общая характеристика метода. Атомно-абсорбционный спек- тральный анализ получил широкое распространение в практике вследствие многих своих достоинств. Важным достоинством атомно- абсорбционного метода является наличие менее жестких требований, чем в эмиссионной спектроскопии, к условиям получения погло- щающей плазмы, поскольку аналитический сигнал зависит от числа невозбужденных атомов, которое сравнительно мало меняется при небольших колебаниях температуры. Также существенно, что число линий в спектре в условиях атомно-абсорбционного анализа невелико, поэтому наложения аналитических линий практически не происходит, хотя неселективное поглощение остается значительным. Предел обна- ружения с помощью атомно-абсорбционного анализа для многих эле- ментов характеризуется величиной порядка 10-5 … 10-6 %. Погрешность определения обычно составляет 5 % и в зависимости от различных усло- вий изменяется в пределах от 3 до 10 %.
Метод имеет также ряд ограничений. Атомно-абсорбционным мето- дом не определяются элементы, резонансные линии которых лежат в дале- ком ультрафиолете (углерод, фосфор, галогены и др.). Необходимость рас- творения пробы также можно рассматривать как недостаток, поскольку эта операция удлиняет анализ. Однако работа с растворами упрощает этало- нирование и обеспечивает высокую воспроизводимость результатов. К существенным недостаткам метода относится невозможность одновременного определения нескольких элементов, хотя для этого имеются все предпосылки. Необходимо отметить также, что помимо чисто аналитиче- ского применения атомно-абсорбционная спектроскопия используется для определения силы осциллятора, коэффициентов диффузии, давления на- сыщенных паров и т.д.
Контрольные вопросы
1. Какова функция монохроматизатора в атомно-абсорбционных при- борах?
2. В чем преимущества и недостатки водородного пламени?
3. Какиеэлементыможноопределитьатомно-абсорбционным методом?
Практическое применение: изобразите принципиальную схему атомно-абсорбционной установки.
Лекция № 8. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ
Теоретические основы. Люминесцентный анализ - совокуп- ность оптических методов анализа, основанных на явлении люминес- ценции. Согласно определению С.И. Вавилова люминесценцией на- зывают свечение, избыточное над температурным и обладающее дли- тельностью не менее чем 10-10с, что превышает период световых ко- лебаний, т.е. свечение вещества, возникающее при его возбуждении различными источниками энергии. От излучения нагретых тел она отличается своей неравновесностью: люминесценция практически не использует тепловую энергию излучающей системы, поэтому ее час- то называют холодным светом.
Люминесценция возникает в результате электронного перехода при возвращении частиц из возбужденного состояния в нормальное. Поглоще- ние молекулой кванта света осуществляется за очень короткое время, затем происходит переход электрона на нижний колебательный подуровень воз- бужденного состояния. Таким образом, молекула преобразует поглощен- ную энергию в собственное излучение. Возвращение молекулы из нижнего колебательного состояния в невозбужденное состояние может произойти тремя путями:
1. Потеря молекулой энергии в виде теплоты в результате столкновений с другими частицами (процесс внутренней конверсии).
2. Возвращение молекулы на любой колебательный подуро- вень основного состояния с испусканием энергии в виде кванта света без изменения спина электрона (флуоресцен- ция).
3. Переход молекулы из возбужденного состояния в метаста- бильное состояние, а затем в основное либо в результате внутренней конверсии с выделением теплоты, либо с выде- лением кванта света (фосфоресценция).
Происхождение люминесцентного излучения поясняется схемой на рисунке 1. Здесь схематически изображены основной и возбужденные (синглетный и триплетный) электронные уровни молекулы.
Рис. 1. Схема энергетических уровней молекулы, поясняющая возникновение люминесцентного излучения: - электронные уровни, V-колебательные
На каждый электронный уровень накладываются колебательные подуровни с квантовыми числами 0, 1, 2, 3, и т.д. При поглощении кванта света электрон переходит с основного уровня на более высо- кий, соответствующий возбужденным синглетному (антипараллель- ные спины) и триплетного (параллельные спины) состояниям. Пря- мой переход основного синглетного в возбужденное триплетное со-стояние запрещен по спину и практически не наблюдается. Энергия триплетного состояния несколько меньше, чем синглетного. Три- плетные уровни могут заполняться за счет интеркомбинационной конверсии. При комнатной температуре молекулы обычно находятся в основном состоянии и почти все электронные переходы при погло- щении света происходят с нижнего (основного) колебательного поду- ровня на различные колебательные подуровни возбужденного синг- летного состояния.
Возбужденная молекула за счет колебательной релаксации при столкновении с окружающими молекулами очень быстро по сравне- нию со временем электронного перехода теряет избыточную колеба- тельную энергию и переходит на основной колебательный уровень возбужденного электронного состояния.
При переходе с основного колебательного подуровня возбуж- денного синглетного состояния на какой-либо колебательный поду- ровень основного электронного состояния происходит излучение кванта света. Этот процесс называют флуоресцентный.
Классификация различных видов люминесценции. Методы люминесцентного анализа классифицируют различным образом.
4. По способу (источнику) возбуждения:
Фотолюминесценция - свечение вещества, возникающее под воздействием излучения в УФ и видимой области спектра.
Хемилюминесценция - свечение вещества за счет энергии химических реакций.
Рентгенолюминесценция - свечение вещества под воздей- ствием рентгеновских лучей.
Катодолюминесценция - свечение вещества в газовой фазе при бомбардировке его потоком электронов (катодными лучами).
Термолюминесценция - свечение вещества вследствие его возбуждения при нагревании.
Другие виды люминесценции, имеющие меньшее значение в аналитике, например, сонолюминесценция (возбуждение ультразвуком), ионолюминесценция (возбуждение пото- ком ионов щелочных металлов в вакууме), атомная флуо- ресценция (возбуждение атомов в пламени), триболюми- несценция (механическое возбуждение), радиолюминес- ценция (возбуждение радиоактивным излучением).
5. По длительности послесвечения:
Флуоресценция (спонтанная люминесценция) - свечение, прекращающееся сразу после прекращения действия ис- точника возбуждения. Длительность послесвечения со- ставляет ~ 10-6 … 10-9с.
Фосфоресценция - свечение, продолжающееся некото- рое время после прекращения действия источника воз- буждения. Длительность послесвечения составляет
~ 10-2 … 10-3с.
В аналитике из всех видов люминесценции наибольшее распро- странение получила флуоресценция, возникающая под воздействием излучения в УФ и видимой области спектра.
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 излучение попадает на вторичный светофильтр, пропускающий люминес- центное излучение и задерживающий возбуждающее и рассеянное излучения.
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 цЕ и квантовым цlum выходами люминесценции:
,
где Еlum и Eabs - энергии излучаемая и поглощаемая; Nlum и Nabs -
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.