Спектрофотометрический метод

Содержание статьи

• Описание метода
• Математическое описание
• Закон БЛБ
• Ограничения
• Преимущества
• Техническая часть
• Производная

На способности поглощения молекулами и атомами излучения, имеющего электромагнитную природу, базируется спектрофотометрический метод.

Спектрофотометрический метод анализа

Молекулы, имеющие одинаковую связь и образующие одну группу, в ИФ области выдают полосы поглощения соответствующей характеристической частоты. Данные характеристические частоты помогают определить по получаемому спектру имеющиеся в исследуемой взвеси наличие искомых групп атомов или молекул.

Делят спектрофотометрию: на молекулярную, когда искомое вещество молекулярная структура, и атомную. В зависимости от длин волн, которые способен различить прибор, и веществ, которые надо будет определять, выбираются спектрофотометры.

Для внесения поправок на законы преломления и рассеяния в некоторых устройствах, проводят измерение взвеси (раствор с исследуемым веществом) и раствора. Когда луч света проходит через взвесь, то в зависимости от поглощающих свойств вещества, происходит его ослабление. Интенсивность ослабления луча имеет зависимость от содержания вещества во взвеси. Более точная зависимость определяется у Бугера-Ламберта-Бера (БЛБ), закон «вещество его толщина – от ослабления линии энергии».

Спектрофотометрическое определение фигурирует во многих областях для разных задач:

• подтверждает подлинность заявленного элемента/продукта,
• определяет доброкачественность изготовленного препарата,
• с его помощью находят радиоактивные элементы в водоемах,
• количественно оценивает, сколько разных веществ находится во взвеси,
• различать химические элементы во взвеси.

Применяется в биологических и геологических лабораториях, в целях радиационной безопасности (на АЭС, институтах и т.д.), промышленностях, где требуется знать химический состав продуктов и материалов.

Математическое описание спектрофотометрического метода

Введем понятие коэффициента пропускания Т.

I – интенсивность световой энергии, прошедшей через взвесь,

I₀ – через раствор.

Для определения концентрации искомых веществ, спектрофотометры используют оптическую плотность, которая находится как D=-lоg₁₀(T).

Количественно отыскивается концентрация посредством закона БЛБ:

I=I₀*10^-εlc

С помощью элементарных преобразований легко можно получить, что lоg₁₀(T)=ε*l*c или D= ε*l*c.

Обозначения переменных представлены ниже в ограничениях данного закона.

Если в раствор вводят несколько исследуемых элементов, то метод применим и в этом случае. Каждый элемент будет давать свой вклад в общую оптическую плотность по закону сложения:

D=D₁+D₂+…+D_k.

Закон Бугера Ламберта Бера определяет, что оптическая плотность, линейно связана с концентрацией, а ее график выходит из начала координат. В реальности линейность не всегда наблюдается.

Закон Бугера Ламберта Бера

Чтобы закон полностью выполнялся, должны соблюдаться следующие условия:

1. Излучение должно быть монохроматическим, т.е. длина волны должна быть одинаковой, ей будут просвечивать раствор и взвесь.
2. Молярный коэффициент поглощения (ε) зависит от преломляющих свойств сред – как взвеси, так и раствора. Если преломление во взвеси сильнее, то линейный закон не применим. Чем больше коэффициент ε, тем более чувствительным будет метод в данном определении.
3. Во время измерений должна быть постоянная температура окружающей среды. Допустимо изменение только в пределах пары градусов.
4. Применяться должен только параллельный пучок света.
5. В процессе измерения спектрофотометром концентрация (с) анализируемого вещества не должна меняться вследствие изменения природы исследуемого вещества. Например, во взвеси не должны молекулы переходить в ионы, в результате диссоциации или кислотно-основной реакции.
6. Стараться избегать возбуждения электронов в атоме (иногда такой способ тоже применяют для анализа, но в классическом применении его избегают), то есть не облучать атомы энергией свыше шестидесяти килоджоулей.
7. Свет должен проходить одинаковый путь (l) при измерении раствора и взвеси.
8. В качестве раствора часто применяют дистиллированную воду.

Ограничения спектрофотометрического метода

1. Интенсивнее поглощаются те энергии (длина волны), которые соответствуют энергетическим уровням возбуждения внутренних переходов атомов и молекул: тогда молярный коэффициент поглощения максимален.
2. Метод плохо работает для смеси газов.
3. Ограничения закона БЛБ.

Преимущества спектрофотометрического метода

1. Хорошо подходит для определения состава инертных газов.
2. Работает с низкими концентрациями – различает элементы, если их немного во взвеси.
3. Можно добиться расширенной неопределенности на уровне 0,5-1,%.
4. Применим как для высокого, так и для низкого содержания вещества в растворе.
5. Применим для примесей, ввиду закона сложения.
6. Быстрота определения (если не считать подготовку растворов).
7. Простота.

Техническая часть спектрофотометрического метода

Спектрофотометрическое исследование требовательно относится к подготовке растворов, как окрашенных, так и чистых. Для того чтобы производить измерения спектров, используют спектрофотометр и фотоколориметр, в которые помещают исследуемые растворы.

Основные части спектрофотометра:

1. источник излучения,
2. монохроматор (если источник света не может дать монохроматический луч),
3. кювета, в которую размещаются растворы и взвеси,
4. измерительный прибор.

Основные части расширяются: 1 призмами, зеркалами и линзами, чтобы добиваться параллельности света, 2 клиньями и диафрагмами, которые выравнивают интенсивность световых лучей.

Получить монохроматический свет можно следующими источниками света:

• непрямым солнечным светом,
• галогенными лампами,
• лазером,
• штифтом Нернста,
• лампой накаливания,
• глобар штифт,
• флуоресцентным излучением.

Спектрофотометрическое измерение, как описано выше, требует подбора нужной оптической линии. Для изготовления штифта Нернста (шН) применяют оксиды редкоземельных Me, которые плотно спрессовывают между собой в столбец. Глобар (Г) получают спрессовыванием в столб, карбида кремния. Когда через них пропускают ток, то они выдают световое излучения с соответствующими длинами волн: шН – от 1,6 до 2,0 мкм или от 5,6 до 6,0 мкм; Г – от 2 до 16 мкм.

Монохромизаторы – это те устройства, которые создают стабильную волну. В качестве начинки монохромизаторов используют светофильтры и призмы.

Разделяют светофильтры на:

1. Абсорбционные
2. Интерференционные
3. Интерференционно-поляризационные

Для изготовления светофильтров и кюветов чаще всего используют кварц и стекло.

В качестве приемников интенсивности световых лучей или рецепторов используют фото-умножители и фотоэлементы. Характеризуют рецепторы по двум свойствам: спектральная и интегральная чувствительность. Первая характеристика – умение различать разные оптические линии, интегральная чувствительность – умение реагировать на сплошной поток света.

Для измерений в области ИК, излучения используют термоэлементы, которые делают из термо-ЭДС или термопары, и болометр. Последний изменяет сопротивление материала при воздействии на него температурой: термоэлемент встроен в мостовую схему, инфракрасное излучение вызывает нагревание этого элемента и разбаланс моста.

Спектрофотометрический анализ включает в себя построение градуировочной характеристики по известным образцам, чтобы вывести зависимость C=f(D), соотнесение полученных результатов в последующем. Когда градуировочная характеристика определена, то порядок измерения такой: 1 раствор (является основой при измерениях) - его измерение, 2 добавление в раствор исследуемого вещества,3 добавление красителя. В этом случае, степень окраски взвеси должна прямо зависеть, от концентрации исследуемого вещества, 4 измерение в спектрофотометре окрашенного раствора. Иногда в спектрофотометр вбиты соответствующие базы, и тогда метод не требует градуировочных образцов.

Производная спектрофотометрия

При этой разновидности метода, используют две разные линии света, для измерения взвеси. Лучи близко расположены друг к другу по спектру, формируются светофильтрами, которые встроены в прибор. Данное устройство может определить концентрацию разных веществ в одном растворе. По сравнению со спектрофотометрами цена на фотоколориметры не высока (спектрофотометр СФ-2000-02 стоит 192 000 руб., а фотоколориметр КФК-5М 55 000 руб.), а точность достаточна, для проведения большинства анализов.

Современные спектрофотометры позволяют менять величину кювета, что увеличивает возможности анализа, некоторые производят анализ всего за несколько секунд.

Таблица. УФ-видимая производная спектрометрия ионов металлов.

Вещества (катионы)	Автор	Год	d n	Примечания
Be, Mg	Salinas	1987	1	Органический комплекс
Be	Zhu	1989	3	В бериле
Bi	Morelli	1982	1, 2	Комплекс с тиобарбитуровой кислотой; Cu наличие
Bi, Pb	Li	1986	4	Следы в Sn
Ca	Chen	1986	4	Органический комплекс
Ca	Jimenez	1990	—	В крови и моче
Ge	Wang	1987	—	Следы в минералах
Mg	Salinas	1986	1	Органический комплекс
Pb (Zn, Cd)	Li	1989	3	В поверхностно-активных веществах
S	Niu	1985	<	Косвенное определение в кластерных соединениях
Au, Pd, Pt	Kuroda	1990	1	Хлорокомплексы
Cd, Zn	Talsky	1981	5	Смеси
Cd, Zn, (Pb)	Li	1989	3	В поверхностно-активных веществах
Co	Singh	1984	2	В осажденных концентрациях
Co	Spitsin	1985	—	В сплавах
Co, Cu	Bermejo-Barrera	1985	<  td="">	Комплекс ЭДТА
Co	Odashima	1986	<  td="">	Органический комплекс; следы
Co	Jyothi	1987	> 2	Комплексы с красителями
Co, Fe	Jiang	1988	<  td="">	В Ni
Co, Ni	Murillo	1988	1	Совместное определение
Co, V	Jimenez	1989	2	В сталях
Cr(III)	Shijo	1986	2	Органический комплекс
Cr, Mn	Zhen	1986	—	В Cr сталях
Cr, Mn	Iyer	1986	—	Совместное определение; в сталях
Cu	Ishii	1980	2, 4	Органический комплекс
Cu, Fе(III)	Morelli	1983	1, 2	Органический комплекс
Cu, Co	Bermejo-Bantra	1985	—	Комплекс ЭДТА
Cu, Zn	Li	1987	—	Органический комплекс
Cu, Zn	Wei	1989	4	Органический комплекс в воде; редко-земельные элементы
Fe(II), Fe(III)	Talsky	1982	4	Прямое определение
Fe(III), Co, Ni	Talsky	1982	4	Прямое и совместное определение
Fe	Singh	1983	2	Hg концентраты
Fe(III), Cu	Morelli	1983	1, 2	Органический комплекс
Fe(III)	Bermejo-Barrera	1984	—	Комплекс ЭДТА
Fe(II), Fe(III)	Haubensak	1985	4	Прямое определение
Fe(III), Co, Ni	Haubensak	1985	4	Прямое совместное определение
Fe(III)	Bermejo-Barrera	1986	—	Комплекс ЭДТА
Fe	Odashima	1986	—	Органический комплекс; следы
Fe	Ishii	1986	2	Органический комплекс
Fe(III), Bi	Bermejo-Barrera	1987	<  td="">	Комплекс ЭДТА
Fe, Nd, Pr	Ren	1987	3	В Nd-Fe-сплавах
Fe,Co	Jiang	1988	<  td="">	В Ni
Fe(III)	Mori	1989	3	Органический комплекс
Hg(II)	Griffiths	1979	2, 4	<  td="">
Hg	Medilina	1986	—	Органический комплекс
Hg	Sharma	1989	—	В пестицидах
In	Shanna	1986	>2	Органический комплекс
Mn, Cr	Zhen	1986	—	В Cr- сталях
Mn, Cr	Jyes	1986	—	Совместное определение в сталях
Mn	Lin	1987	—	Следы
Mn	Kus	1989	4	В Ni
Mo	Qu	1985	1	Органический комплекс в рудах и минералах
Mo	Hernandez-Mendez	1987	3	Комплексы красителей
Mo, Ti, V	Suzuki	1987	1	Пероксо комплексы в смесях
Nb	Wang	1988	<  td="">	В минералах
Ni	Ishii	1982	2	Концентрация в нг× мл–1
Ni, Co, Fe(III)	Talsky	1982	4	Прямое совместное определение
Ni, Co, Fe(III)	Haubensak	1985	4	Прямое совместное определение
Ni	Malinowska	1986	—	Органический коплекс
Ni	Wang	1986	—	В Co-минералах
Ni, Co	Murillo	1988	1	Совместное определение
Os(VIII), Pd(II)	Morelli	1985	2	Смеси
Pd(II), Ru(III)	Morelli	1983	2	В смесях
Pd, Pt	Qu	1984	1	Совместное определение в рудах
Pd(II), Os(VIII)	Morelli	1985	2	Смеси
Pd, Pt	Kus	1987	5	Дитизонаты
Pd, Pt	Mai	1987	—	Cовместное определение
Pd, Pt, Au	Kuroda	1990	1	Хлорокомплексы
Rh(III)	Shijo	1988	2	Органический комплекс
Ru(III), Pd(II)	Morelli	1983	2	Смеси
Ru(III)	Shijo	1987	2	Органический комплекс
Sc	Li	1986	—	Сложные красители
Sc	Li	1988	3	В сплавах
Ta	Kvaratskheli	1990	1	В присутствии Nb
Ti, V, Mo	Suzuki	1987	1	Пероксокомплексы смеси
V, Co	Jimenez	1989	2	В сталях
Zn, Cd	Talsky	1981	5	Дитизонаты; смеси
Zn, Cd	Talsky	1982	5	Дитизонаты; в смесях
Zn, Cu	Li	1987	—	Органический комплекс
Zn, Cd, Pb	Li	1989	3	В поверхностно-активных веществах
Zn, Cu	Wei	1989	4	Органический комплекс
Zr	Wang	1986	1	В Ag-Pd сплавах
Ионы металлов	Edwards	1985	—	В гумусовых веществах
Редкоземельные элементы	Shibata	1973	1	<   td="">
Редкоземельные элементы	Zhang	1986	> 2	Органический комплекс
Ce, Er	Poro	1972	1	Органический комплекс
Ce,Tb	Mishchenko	1987	—	<  td="">
Eu, Sm	Kucher	1983	—	В смесях
Eu, La	Rao	1986	>2	Совместное определение
Gd	Lepine	1986	2	В нитратах
Gd	Alexandrova	1988	—	<  td="">
Gd	Yan	1989	4	В солях редкоземельных элементов
Ho	Cottrell	1980	2	<  td="">
La, Eu	Rao	1986	> 2	Совместное определение
Nd	Hernandez-Mendez	1987	> 2	Органический комплекс
Nd, Tm	Garcia Sanchez	1987	—	Смеси
Nd	Hernandez-Mendez	1988	> 2	В стеклах
Ho, Nd, Sm, Er,	Li	1989	3	<  td="">
Eu, Pr, Nd, Sm, Eu,	Alexandrova	1982	—	EDTA-комплекс
Dy, Ho, Er, Тm	Ren	1985	>2	Смеси редко земельных элементов
Pr, Nd, Dy, Тm Pr, Nd, Sm, Eu,	Alexandrova	1987	—	В смесях
Ho, Er	Bai	1987	—	EDTA-комплекс
Pr, Nd, Eu, Ho, Er, Tm	Chen	1987	2	Органические комплексы
Pr	Sukumar	1988	3	Следы в Al
Sm	Bhagarathy	1988	3	Сложные красители
Tm, Nd	Garcia Sanchez	1987	—	Смеси
U(IV)	Perfil'ev	1984	—	Органический комплекс
(UO2)2+	Perfil'ev	1986	—	Органический комплекс
(UO2)2+	Skujins	1986	2	<  td="">
U	Kvaratskheli	1988	1	Th присутствует
Th, U	Kuroda	1990	2	Мышьяк азокомплекс