Спектрофотометрический метод

27.10.2016 16:10
Просмотров: 6511
Иллюстрация:
susu.ru
Спектрофотометрический метод

Содержание статьи


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

Спектрофотометрический метод анализа


Спектрофотометрический методМолекулы, 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+…+Dk.

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. Преимущества спектрофотометрического методаИнтенсивнее 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

Техническая часть спектрофотометрического методаСпектрофотометрическое 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.

Спектрофотометрический метод анализа

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)АвторГодd nПримечания
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

материалы по теме

Энергосберегающий метод обогащения титаносодержащих руд

Энергосберегающий метод обогащения титаносодержащих руд

Научные сотрудники Института горного дела УрО РАН создали новейший метод переработки титаносодержащих руд, который дает возможность уменьшить цену их последующего обогащения. Энергоемкость получения титано-магнетитовых концентратов уменьшается на 7 - 8 %. «Мы предложили новые источники сырья и метод его производства. Такую схему можно использовать в эксплуатации Медведевского и Копанского месторождений, находящихся в Челябинском регионе», - рассказал директор института Сергей Корнилков.


Испытания защитных покрытий

Испытания защитных покрытий

Защитные покрытия используют для предотвращения появления дефектов тех или иных поверхностей. В зависимости от материала покрытия, способы предохранения также отличаются между собой. Виды защиты, отличия и сходства, «плюсы» и «минусы», а также методы улучшения их качества рассмотрим в данной статье. 

Испанские ученые предложили метод исследования автомобильных металлических покрытий

Испанские ученые предложили метод исследования автомобильных металлических покрытий

Испанские ученые предложили метод исследования красочных покрытий с хлопьями металлического покрытия.