Методы основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с

Методы основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом Молекулярная спектрометрия

Диаграмма энергетических состояний молекул и возможных переходов из одного состояния в другое.

АБСОРБЦИОННАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ В УФ- И ВИДИМОЙ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА.

Основной закон светопоглощения (Закон Бугера-Ламберта-Бера)

Полуширина ( при ½ макс) полосы пропускания светофильтров: 1 – интерференционный светофильтр; 2 – абсорбционный светофильтр.

Принцип аддитивности (правило аддитивности) оптических плотностей где 1, 2… n – молярные коэффициенты поглощения компонентов смеси; с1, с2…сn – молярные концентрации компонентов смеси.

Фотоколориметрия и спектрофотометрия Фотометрия

Два общих случая использования в химическом анализе мокулярной спектрометрии в видимой и УФ областях

1. Идентификация и определение в растворах концентрации веществ в тех химических формах, в каких они находятся в растворе.

Вторым, наиболее часто встречающимся случаем использования молекулярной абсорбционной спектрометрии в анализе является двухстадийная схема анализа, включающая в качестве первой стадии образование в растворе аналитической формы определяемого вещества в результате его взаимодействия со специальным фотометрическим реагентом.

Выбор оптимальных условий проведения фотометрических измерений Выбор спектральной области для фотометрических измерений

Оптимальная спектральная область, в которой проводят фотометрические измерения, определяется спектрами поглощения фотометрируемого комплекса и применяемого реагента. При этом существуют два общих случая и промежуточные варианты между ними.

Сравнение погрешности фотометрического определения при разных длинах волн поглощаемого света: а – линия в спектре, по которой определяется фотометрируемое соединение; б – зависимость А от с при макс и мин.

Спектр поглощения диэтилдитиокарбамината меди в хлороформе (c 5 > c 4 > c 3 > c 2 > c 1)

Зависимость оптической плотности раствора диэтилдитиокарбамината меди от его концентрации при = 436 нм и = 540 нм.

Второй общий случай, когда спектры поглощения фотометрируемого соединения и применяемого реагента перекрываются

Перекрывание полос поглощения в спектрах определяемого соединения (1) и реагента (2).

Спектры поглощения равновесных форм определяемого элемента: 1 – спектр основного соединения; 2 – спектр конкурентной формы.

Выбор оптимальных условий проведения фотометрических измерений Выбор оптимального диапазона оптических плотностей.

Зависимость относительной погрешности ( , %) определения концентрации от оптической плотности раствора (при sr = 0, 003): 1 – кривая рассчитана по уравнению Шмидта; 2, 3 – кривые рассчитаны для спектрофтометра СФ-4 и фотоколориметра ФЭК-М, соответственно.

Уравнение Шмидта Согласно основному закону светопоглощения: . После дифференцирования и соответствующих преобразований можно получить уравнение Шмидта:

Выбор оптимальных условий проведения фотометрических измерений Отклонения от основного закона светопоглощения.

инструментальные (физические) и химические Главной физической причиной кажущихся отклонений является немонохроматичность поглощаемого светового потока. Другой физической причиной нарушения закона Б. Л. Б. является рассеяние света. Рассеяние света может возникать в оптической схеме прибора вследствие его отражения от поверхностей линз, зеркал и т. п. , а кроме того, в растворе при возникновении конвективных потоков за счет неравномерного нагрева.

Влияние рассеянного света на истинную оптическую плотность раствора (прямая линия – в отсутствие рассеянного света).

Основными «химическими» причинами кажущихся отклонений являются различные побочные реакции, которые приводят к различной (и часто неколичественной) степени связанности аналита в светопоглощающее соединение. Среди этих побочных реакций наиболее важными являются реакции комплексообразования ионов металлов и протонирования фотометрических реагентов.

Выбор условий образования аналитических форм. Существуют две схемы образования аналитических форм для фотометрического анализа. Первая, наиболее общая схема предполагает прямую химическую реакцию между аналитом и фотометрическим реагентом M+R=MR, которая приводит к образованию окрашенного соединения, способного к поглощению света в видимой области спектра.

Вторая косвенная схема предполагает определение аналита по реакции со вспомогательным окрашенным соединением. В этом случае используют вспомогательное светопоглощающее соединение M 1 R, с которым аналиты М или А взаимодействуют по реакциям катионного или анионного обмена, не образуя при этом светопоглощающих соединений: M 1 R + M ⇄ MR + M 1 M 1 R + A ⇄ M 1 A + R В результате этих реакций концентрация вспомогательного светопоглощающего соединения M 1 R (и соответственно оптическая плотность раствора) уменьшается пропорционально концентрации вступивших в реакцию аналитов M или А.

Выбор условий образования аналитических форм. Аналитические формы аналитов и реакции их образования

Способы измерения светопоглощения (оптической плотности) • Фотометрические методы определения концентрации растворов основаны на сравнении поглощения или пропускания света стандартными и анализируемыми растворами. Степень поглощения света фотометрируемыми растворами измеряют с помощью специальных оптических приборов - фотоэлектроколориметров и спектрофотометров, в которых световая энергия, проходящая через фотометрируемый раствор, преобразуется фотоприемником в электрическую с последующим усилением электрического сигнала и его индикацией.

Аналитические формы аналитов и реакции их образования • В фотометрическом анализе применяются различные по природе реагенты, наиболее распространенными продуктами реакций которых с аналитами являются: • 1. Хелатные (внутрикомплексные) соединения металлов с хелатообразующими органическими реагентами. • 2. Соединения металлов с кислотными и основными органическими красителями. • 3. Разнолигандные комплексные соединения и ионные ассоциаты. • 4. Однороднолигандные комплексы металлов с неорганическими лигандами и гетерополисоединения.

Современные приборы позволяют проводить измерения в видимой области спектра (400 -760 нм) и в примыкающих к ней ультрафиолетовой (300 -400 нм) и инфракрасной (760 -1000 нм) областях. Приемниками излучения являются фотоэлементы разных типов, монохроматорами — светофильтры с шириной полосы пропускания 10 -15 нм (интерференционные светофильтры) или 30— 50 нм (абсорбционные светофильтры).

Принципиальная схема фотометрического однолучевого прибора с прямым способом измерения: 1 – источник света; 2 – линза; 3 – светофильтр или монохроматор; 4, 4 - кюветы с растворами сравнения и фотометрируемым, соответственно; 5 – фотоэлемент; 6 – усилитель; 7 – регистрирующий прибор.

Принципиальная схема фотометрического двухлучевого прибора с компенсационным способом измерения: 1 – источник света; 2 – светофильтр; 3 – линза; 4, 4 - зеркала; 5, 5 - кюветы с раствором сравнения и фотометрируемым, соответственно; 6, 6 - щелевые диафрагмы; 7, 7 - фотоэлементы; 8 – усилитель; 9 – нуль-индикатор.

Спектрофотометры • Спектрофотометры также предназначены для измерения коэффициентов пропускания или оптической плотности растворов, но их возможности намного шире по спектральному диапазону (от 190 до 1100 нм), монохроматизации света (до 1 -2 нм), автоматизации и быстродействию всех измерений, сочетанию с ПК, с выдачей спектров и количественных данных на мониторе ПК.

Концентрацию аналита определяют путем сравнения оптических плотностей анализируемого и стандартных растворов известных концентраций. Для этих целей, как правило, применяют один из следующих вариантов. • 1. Метод сравнения: сх = сст • 2. Метод градуировочного графика А = f ( с ), построенного по стандартным растворам аналита • 3. Метод стандартных добавок

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Зеркальная симметрия спектров поглощения и люминесценции раствора красителя родамина 6 Ж в этаноле: 1 – спектр поглощения возбуждающего излучения ( - молярный коэффициент поглощения); 2 – спектр люминесцентного излучения (Iл – интенсивность люминесценции; - длина волны).

Схематическое изображение спектров поглощения (П) и люминесценции (Л) молекул и областей пропускания оптимальных фильтров (заштрихованные участки): Iл – интенсивность люминесценции; - молярный коэффициент поглощения; - длина волны.

Приемы сужения полос в спектрах люминесценции • регистрация спектров люминесценции при глубоком охлаждении (метод Шпольского). • метод синхронного сканирования. Синхронные спектры – спектры, получаемые при одновременном изменении длин волн возбуждения и испускания с постоянным сдвигом между ними. С помощью современных спектрофлуориметров можно регистрировать синхронные спектры с шириной полосы излучения 8 -10 нм

Интенсивность люминесценции. • Эффективность преобразования энергии возбуждения ( Е погл. ) в энергию излучения ( Е люм ) характеризуют абсолютным энергетическим ( эн) и квантовым ( кв) выходом люминесценции. и , где N л и N n – число излучаемых и поглощенных квантов света, соответственно.

Интенсивность люминесценции Эффективность преобразования энергии возбуждения ( Е погл. ) энергию излучения ( Е люм ) характеризуют абсолютн энергетическим ( эн) и квантовым ( кв) выходом люминесценции.

Закон Вавилова • При возбуждении флуоресценции излучением коротковолновой части спектра, величина энергетического выхода до некоторого предела увеличивается пропорционально длине волны возбуждающего излучения.

Тушение (гашение) люминесценции. • Под тушением люминесценции понимается любой процесс физической или химической природы, который приводит к уменьшению интенсивности люминесценции. К их числу относят все процессы, сопровождающиеся безызлучательными потерями молекулой избыточной энергии, полученной ею при возбуждении.

Измерение интенсивности люминесценции. 1 - источник возбуждающего излучения; 2, 4 – сфетофильтры; 3 – кювета с анализируемым раствором; 5 – фотоэлемент или фотоумножитель; 6 – электронный усилитель; 7 – регистрирующий прибор.

Полосы в спектре флуоресценции сдвинуты в область больших длин волн по сравнению с полосами в спектрах поглощения тех же молекул. (Закон Стокса и Ломмеля).

В то же время форма полос поглощения и флуоресценции определяется одинаковым расположением колебательных подуровней основного S и возбужденного S 1 электронных состояний, являющихся характеристическим признаком молекул каждого типа, и поэтому спектр люминесценции симметричен спектру поглощения (правило зеркальной симметрии Левшина).