20.4. Молекулярная абсорбционная спектроскопия в уф- и видимой области

УФ

10

ближняя

А 200

УФ-область

• 180 нм поглощается O2,

• 160 нм и O2, и N2

Молекулярную абсорбционную спектроскопию в УФ- и види­мой областях спектра называют спектрофотометрией либо фотомет­рией.

20.4.1. Молекулярные спектры поглощения в УФ- и видимой области

возбуждённое

электронное

состояние

основное

электронное

состояние

Молекулярные абсорбцион­ные спектры в УФ- и видимой об­ласти состоят не из отдельных чёт­ко определённых линий, а из ши­роких полос. Это вызвано следую­щими причинами. Как и атомы мо­лекулы могут поглощать только та­кое электромагнитное излучение, энергия которого точно равна раз-

ности между энергиями основного

Рис. 20.9. Электронные переходы в ^{J г}

гипотетической молекуле ^{и возб}у^{ждённого состояния}. ^Одна­

ко, полная энергия молекулы явля­ется суммой энергии электронного состояния (Е_эл), энергии колебания атомов, входящих в её состав (Е_кол) и энергии вращения данной моле­кулы (Е_вр), причём Е_эл > Е_кол >> Е_вр. Каждому электронному состоя­нию молекулы соответствует целая группа колебательных, а каждому колебательному, в свою очередь, большое число вращательных со­стояний. Энергия электромагнитного излучения УФ- и видимого диапазона соответствует энергии возбуждения валентных элек­тронов. Для того чтобы произошёл переход молекулы из одного ко­лебательного состояния в другое без изменения её электронного со­стояния, достаточно энергии ИК-излучения, а между двумя враща­тельными энергетическими уровнями в пределах одного и того же ко­лебательного - энергии излучения микроволнового диапазона.

200 250 300 350 400 450

Рис. 20.10. Спектр поглощения берберина бисульфата (водныйраствор) Основными характеристиками полосы поглощения являются её положение и интенсивность (рис. 20.11).

А,,нм

Рис. 20.11. Основные характеристики полосы поглощения

249

При поглощении электромагнитного излучения УФ- или види­мого диапазона молекула переходит из некоторого колебательного и вращательного состояния основного электронного уровня в некото­рое колебательное и вращательное состояние следующего электрон­ного уровня (рис. 20.9). Каждый образец вещества содержит огромное число молекул. Даже если все они находятся в основном электронном состоянии, то при этом они могут находиться в разных колебательном и вращательном состояниях. Поэтому вещество будет поглощать не только электромагнитное излучение, соответствующее переходу меж­ду самыми низкими колебательными и вращательными состояниями основного и возбуждённого электронного уровней, но и излучение с близкими длинами волн. Кроме того, в многоатомных молекулах воз­можно много электронных переходов и они могут быть близки по энергии, поэтому в спектре поглощения отдельные полосы поглоще­ния могут сливаться друг с другом. В качестве примера на рис. 20.10 приведен спектр поглощения алкалоида берберина.

Положение максимума полосы поглощения (Х_макс) соответствует длине волны такого электромагнитного излучения, энергия которого равна энергии необходимой для электронного перехода. Для характе­ристики ширины полосы поглощения используются величиной полу­ширины полосы поглощения. Интенсивность поглощения, которую можно охарактеризовать с помощью молярного коэффициента погло­щения, зависит от вероятности данного электронного перехода. По­глощение с е_макс > 10⁴ считается интенсивным (максимально возмож-

5 3

ное значение s составляет примерно 2-10 ), поглощение с 8_макс < 10 считается малоинтенсивным.

Объектами исследования в спектрофотометрии чаще всего являются орга­нические вещества. Зависимость между строением органических соединений и их способностью поглощать электромагнитное излучение УФ- и видимого диапазона обычно изучается в курсе органической химии. Напомним лишь, что в органиче­ских соединениях могут происходить 4 типа электронных переходов: а ^ а*, n ^ а*, л ^ л* и n ^ л*. Энергия переходов первых двух типов соответствует энергии УФ-излучения вакуумного диапазона (например, а ^ а* в молекуле эта­на - 135 нм, n ^ а* в молекуле метанола - 183 нм). Энергия л ^ л* переходов изолированных л-связей соответствует ЭМИ с X < 200 нм, например в молекуле этилена - 165 нм. При сопряжении нескольких л-связей полосы поглощения сме­щаются в более длинноволновую область спектра.

Группы, обуславливающие появление полос поглощения в мо­лекулярных спектрах, называются хромофорами. Атомы или группы атомов, которые сами по себе не обуславливают появление полос по­глощения, но влияют на характер поглощения хромофоров, называют­ся ауксохромами.

хромофор

ауксохром

Ауксохромы имеют неподелённые электронные пары, находя­щиеся в сопряжении с л-электронной системой хромофора, и могут сдвигать полосу поглощения хромофора в более длинноволновую об­ласть (батохромный сдвиг) или в более коротковолновую область (гипсохромный сдвиг), увеличивать её интенсивность (гиперхром- ный эффект) или уменьшать её (гипохромный эффект).

20.4.2. Измерение аналитического сигнала

Объектами исследования в фотометрии обычно являются рас­творы. Принцип измерения аналитического сигнала заключается в сравнении интенсивности двух световых потоков, один из которых проходит через исследуемый раствор, а второй - через раствор срав­нения.

однолучевые

двухлучевые

регистрирующие нерегистрирующие

Принципиальная схема однолучевого прибора показана на рис.

20.12.

Рис. 20.12.Принципиальная схема однолучевого прибора для измерения светопоглощения в УФ- и видимой областях спектра

340-1100 нм

Для получения видимого и длинноволнового УФ-излучения применяют также галогеновые лампы.

Источники излучения, используемые в фотометрии, дают непре­рывные спектры. В зависимости от того, каким образом происходит выделение из непрерывного спектра испускания источника нужного спектрального интервала, абсорбционные спектрометры можно разде­лить на 2 класса: фотоэлектроколориметры и спектрофотометры.

В фотоэлектроколориметрахдля выделения нужного интерва­ла длин волн применяют набор светофильтров.Величина полуши­рины пропускания используемых светофильтров составляет в среднем 25-45 нм. Нижняя граница рабочих длин волн составляет для боль­шинства моделей фотоэлектроколориметров примерно 315 нм. Фото- электроколориметры используют обычно для проведения серийных измерений концентрации веществ, поглощающих в видимой или длинноволновой УФ-области электромагнитного спектра.

В спектрофотометрахдля выделения из спектра испускания источника излучения с нужной длиной волны применяют монохрома- торы: дифракционные решёткиили призмы.Монохроматор позво­ляет получить электромагнитное излучение с гораздо более высокой степенью монохроматичности, чем светофильтр. Спектрофотометры имеют более сложное устройство, чем фотоэлектроколориметры и ис­пользуются для получения спектров поглощения веществ, определе­ния концентрации веществ, поглощающих при длинах волн менее 300 нм, имеющих узкие полосы поглощения и т.д.

Растворы веществ, поглощение которых измеряется, помещают в специальные сосуды прямоугольной или, реже, цилиндрической формы, называемые кюветами.Кювета, содержащая раствор иссле­дуемого вещества, называется рабочей,а кювета, содержащая раствор сравнения - кюветой сравнения.Кюветы, применяемые для работы в видимой области спектра, могут быть сделаны из стекла. Для работы в области длин волн меньше 325 нм необходимы кварцевые кюветы. В качестве материала для изготовления кювет используются также ор­ганические полимеры. Как правило, каждый прибор для фотометриче­ских измерений снабжён набором кювет (толщиной от 0,1 до 5 см). Чаще всего в работе, особенно для спектрофотометров, используются кюветы с толщиной 1 см. Кроме обычных кювет существуют кюветы специальной конструкции, например, термостатированные, проточ­ные.

В однолучевых приборахв поток излучения вначале помещают кювету сравнения и настраивают по ней прибор на ноль оптической плотности. Затем в поток излучения помещают рабочую кювету. При изменении X настройку прибора следует повторить. В двухлучевых спектрометрахпоток, выходящий из монохроматора, с помощью зеркала специальной конструкции расщепляется на два одинаковых потока: один направляется на кювету сравнения, а второй - на рабо­чую кювету. Потоки, выходящие из кювет, затем направляются на один и тот же детектор. Двухлучевые приборы удобны при автомати­ческой регистрации спектров поглощения, так как их не нужно пере­настраивать при изменении длины волны.

ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ