Люминесцентный анализ Люминесценция В определенных условиях часть

Люминесцентный анализ

Люминесценция В определенных условиях часть поглощенной веществом энергии может выделиться в виде вторичного излучения. Люминесценция - излучение видимого света молекулами или ионами при облучении их УФсветом. Различают: - флуоресценцию ( свечение прекращается сразу, как только перестают облучать образец УФсветом) - фосфоресценцию ( послесвечение - свечение продолжается какое-то время после того, как перестают облучать образец УФ-светом)

Возникновение люминесценции S 1 T 1 S 0 Поглощение Флуоресценция Фосфоресценция

Спектры люминесценции I Спектр поглощения Спектр флуоресценции Спектр фосфоресценции λ, нм По виду - широкополосные Являются зеркальным отображением спектров поглощения, смещены в более длинноволновую область правило Стокса–Ломмеля: λ испускания >λ поглощения

Фенолфталеин Флуоресцеин

Люминофоры Органические молекулы, имеющие жесткое строение – витамины группы В, полициклические ароматические углеводороды(ПАУ), диоксины, пестициды О Антрацен Сl 3, 4 -бензпирен О Cl Диоксины Комплексы металлов с органическими лигандами Неорганические соединения – кристаллофосфоры, соли редкоземельных элеметов

Аппаратура для люминесцентного анализа Спектрофлуориметры, флуориметры Cпектрофлуориметр СМ 2203 Флуориметр Флюорат-02 -АБЛФ-Т источники возбуждения- УФ-лампы (ртутные, ксеноновые и др. ), а также лазеры Первичные и вторичные монохроматоры - дифракционные решетки или призмы, изготовленные из кварца Во флуориметрах вместо монохроматоров используют сменные светофильтры

Принципиальная схема флуориметра Зеркало Первичный монохроматор пропускает УФ Hg – лампа, или лазер Вторичный монохроматор пропускает видимый свет Фотоумножитель Регистрирующее устройство

Качественный люминесцентный анализ 1. Обнаружение: - битумов в породах, - следов люминесцирующих органических и неорганических веществ в объектах. - минералов в породах, 2. Выявление подделок. 3. В криминалистике (качественный анализ наркотических препаратов, метка купюр) и т. д. 4. Идентификация полиароматических углеводородов по квазилинейчатым спектрам

Эффект Шпольского (1952 г. ) Спектры люминесценции разбавленных и замороженных парафиновых растворов ароматических соединений состоят из узких полос – квазилинейчатые спектры t = 200 C t = -1960 C Спектр антрацена

Количественный анализ Интенсивность люминесценции Iлюм пропорциональна числу поглощенных квантов возбуждающего света (Nпогл) и квантовому выходу люминесценции: I люм ≈ 2, 3 k В I 0 ε l c k –коэффициент пропорциональности В – квантовый выход люминесценции: I 0 – интенсивность возбуждающего света ε – молярный коэффициент поглощения l- толщина поглощающего слоя C – концентрация аналита

Расчет концентраций ведут по градуировочному графику Iлюм Концентрационное тушение IХ С 2 С 1 C Причины: 1. Растет вероятность потери энергии из-за более частых столкновений молекул Х (увеличивается доля безызлучательных переходов); 2. Образование ассоциатов Х; 3. Самопоглощение люминесценции невозбужденными молекулами Х.

Метрологические характеристики люминесцентного анализа 1. Очень высокая чувствительность - 10– 8– 10– 7 г/л, 2. а в отдельных случаях – до 10– 12 – 10 -15 г/л. 2. Высокая селективность определения люминесцирующих веществ, особенно в условиях эффекта Шпольского. 3. Воспроизводимость метода невысока, sr ~ 0, 15 -0, 20.

Применение • Анализ битумов, мазутов, гудронов, • Анализ горных пород, минералов на наличие редких элементов • Анализ воды, воздуха, почв на наличие супертоксикантов (ПАУ, диоксины, пестициды). • Анализ веществ особой чистоты на содержание примесей. - Детекторы в хроматографии

Атомно-эмиссионный анализ Создатели спектрального анализа немецкие ученые – химик Р. Бунзен и физик Г. Кирхгоф (50– 70 -е годы XIX в)

Атомные спектры Природа их возникновения – переход электронов с одного энергетического уровня на другой. Электронные спектры Вид спектров –линейчатый Е Е 3 Е 2 А Е 1 Е 0 Е 1 I λ, нм Е 0 поглощение испускание λ, нм Линии в спектрах поглощения и испускания совпадают по длинам волн и интенсивности

Атомно-эмиссионный спектральный анализ Принцип метода – перевод пробы в атомарное состояние, возбуждение и испускание атомами света, регистрация света Основные процессы: испарение пробы; атомизация продуктов испарения (молекул или ионов); возбуждение образовавшихся атомов; испускание света возбужденными атомами. Побочные процессы: Образование твердых продуктов: оксидов, нитридов, карбидов Ионизация атомов Самопоглощение света

Источники возбуждения атомных спектров -пламя от 9000 до 30000 С Смеси метан-воздух или пропан-бутан-воздух. атомизируются и возбуждаются щелочноземельные элементы. только щелочные и Более высокие температуры - смеси ацетилен- кислород. удается определять марганец, таллий, хром, свинец и др. ; всего порядка 40 элементов. Достоинства – очень стабильно; - относительно небольшое количество линий в спектре пробы. - несложная и дешевая аппаратура

-дуга 50000 – 80000 С В спектре появляются линии практически всех элементов пробы. Предел обнаружения – 10 -4%. Погрешность – 10% онт. Недостатки - из-за свечения электродов в дуговом спектре присутствует сплошной фон. - дуговой разряд дает нестабильные во времени значения аналитического сигнала. Для повышения стабильности сигнала его накапливают во времени: суммарное количество света, который излучает дуга за некоторое фиксированное время, меняется меньше.

-искра 70000 -12 0000 С Возбуждаются все элементы, в том числе неметаллы Многие элементы переходят в ионную форму. Спектры одного и того же элемента при дуговом и искровом возбуждении различны. Искровое возбуждение почти не разрушает исследуемый образец, что важно в криминалистической или искусствоведческой экспертизе Искровой разряд получил широкое распространение в локальном (микроспектральном) анализе.

-индукционно-связанная плазма (ИСП) Магнитная катушка 50000 -10 0000 градусов Плазмообразующий Ar Распыляющий Ar Проба

с помощью ИСП можно определять любые элементы. Применяют для анализа жидких проб (растворов). Достоинства - Высокая воспроизводимость аналитического сигнала. -Отсутствует эффект самопоглощения и почти отсутствует фон. -Можно определять очень низкие содержания элементов. Недостатки -необходимость перевода твердых проб в раствор, - сложность и высокая стоимость аппаратуры.

Пламенная фотометрия Принципиальная схема пламенного фотометра 5 2 3 4 1 - проба, 2 - горелка, 3 – светофильтр, 4 – фотоэлемент, 5 –микроамперметр 1 -быстрый -точный (погрешности не превышают 5 % отн. ) -чувствительный Сmin = 10 -5 - 10 -8 М. Недостатки необходимость переводить твердые пробы в раствор не удается определять трудновозбуждаемые элементы Применение анализ природных вод, почв, пищевых продуктов, лекарственных препаратов ( только количественный)

Принципиальная схема спектрографа (спектрометра) Графитовые электроды Линза Источник высокого напряжения Призма Стеклянная пластинка Фотографическая регистрация Диодная линейка Фотоэлектрическая регистрация

Качественный анализ при фотографической регистрации Спектр репера Fe Спектр пробы Для расшифровки спектров используют спектральные атласы При разбавлении пробы исчезают так называемые последние линии (как правило, наиболее интенсивные)- наиболее характеристичные. Проблемы: межэталонные наложения. Могут совпадать и последние линии. Окончательный вывод о присутствии элемента делают при условии совпадения нескольких характеристических линий (свободных от наложения)

Количественный анализ Интенсивность излучения в АЭС определяется концентрацией возбужденных атомов в плазме, которое зависит от температуры в зоне возбуждения. Возбужденные и невозбужденные атомов находятся между собой в термодинамическом равновесии. Закон распределения Больцмана: N -общее число атомов в плазме, N* - число возбужденных атомов, g, g* - статистические веса невозбужденного и возбужденного состояния, E – энергия возбуждения, k – постоянная Больцмана, T - температура.

При постоянной температуре и неизменности прочих условий возбуждения интенсивность спектральной линии (I) будет прямо пропорциональна N, а, следовательно, и концентрации элемента в пробе: Выполняется в методе эмиссионной фотометрии пламени и при использовании индуктивно связанной плазмы При дуговом и искровом возбуждении пробы: уравнение Ломакина – Шейбе а и b – коэффициенты, характеризующие данный источник возбуждения и определяемый элемент

В качестве аналитического лучше использовать относительный сигнал: l g Ix/ I ст 3 2 1 Гомологическая пара линий Х и элемента-стандарта: -расположены близко друг к другу -интенсивность примерно одинакова -свободны от наложений Расчет содержаний: метод градуировочного графика, метод добавок; метод сравнения со стандартом. Частный случай градуировочного графика: метод трех эталонов. Все три эталона должны попасть в одну область графика

Применение АЭС • Анализ геологических объектов - руд, горных пород, вулканических пеков, а также сплавов, космических объектов, природных вод, почв, нефтей, нефтепродуктов, строительных материалов. • Анализ катализаторов. • Анализ в криминалистике. • Анализ произведений искусств (картин), археологических объектов.

Атомно-абсорбционный анализ (ААС) 1955 г. , проф. Алан Уолш

Принцип метода ААС Принцип метода – перевод пробы в атомарное состояние, пропускание через атомный пар излучения от внешнего источника, регистрация снижения интенсивности излучения. Основные процессы: испарение пробы; атомизация продуктов испарения (молекул или ионов); Поглощение атомами света от внешнего источника В отличие от АЭС, здесь регистрируют не спектр, а только поглощение при одной длине волны – аналитической (АДВ)

Принципиальная схема ААС-спектрометра Источник света пламя монохроматор ФЭУ анализируемый раствор Регистрирующее устройство

Источник света- лампа с полым катодом При подаче напряжения атомы металла, из которого состоит катод, переходят в газовую фазу, возбуждаются и испускают свет. Спектр излучения лампы–линейчатый спектр испускания металла. Каждая лампа предназначена для определения только одного элемента – того, из чего сделан катод. ААС- спектрометры снабжают набором ламп. При определении каждого нового элемента лампу меняют.

Атомизаторы Пламя. Используют пламя с t 1000 -30000 C (пропан-бутановая смесь). Достоинства: Простота, надежность, стабильность сигнала (хорошая воспроизводимость) Недостаток: Можно анализировать только жидкости. Электротермический атомизатор Графитовая кювета, в которую помещают образец (тв. или жидкость). Через кювету пропускают мощный эл. ток (доли сек. ), проба мгновенно испаряется. В этот момент через кювету пропускают свет от источника.

Достоинства: возможность анализа твердых и жидких проб; уменьшение объема пробы, необходимой на единичный анализ; возможность менять температуру атомизатора, что повышает селективность; более высокая чувствительность анализа: пламя: 10 -5 – 10 -6 %. , электротермическая атомизация 10 -8 - 10 -9 % масс.

Количественный анализ Первичный аналитический сигнал – интенсивность светопоглощения I I = I 0 -klc I 0 -интенсивность света в отсутствие определяемого компонента k – коэффициент, зависящий от природы частиц и длины длны l – толщина поглощающего слоя ( пламени или длина кюветы) С – концентрация элемента Вторичный аналитический сигнал - оптическая плотность, А: А=klc Зависимость А от С прямолинейна в широком интервале концентраций Х, она служит градуировочным графиком.

Расчет концентраций: Градуировочный график Метод добавок Нельзя использовать метод внутреннего стандарта, т. к. нельзя фиксировать аналитический сигнал на двух длинах волн одновременно. Сравнение аналитических возможностей АЭС и ААС Качественный анализ АЭС Да ААС Нет Чувствительность 10 -6% 10 -9% воспроизводимость хуже лучше селективность высокая Применение ААС – в анализе тех же объектов, что и АЭС