Инструментальные методы анализа

дит к повышению чувствительности определения. Для создания пламени используются горючие газовые смеси различного состава, например, ацетилен-воздух, ацетилен - кислород, пропан - воздух и др.

Электротермический атомизатор представляет собой трубку длиной несколько сантиметров и внутренним диаметром до 1 см, изготовленную обычно из плотных сортов графита. Трубка нагревается до высокой температуры электрическим током большой силы. Для предотвращения сгорания графита трубка заполнена инертным газом. Электротермическая атомизация обладает рядом преимуществ перед пламенной, например, более эффективной атомизацией и более высокой чувствительностью определения, меньшим объёмом анализируемой пробы, возможностью вести измерения в вакуумной УФ-области и т.д.

В качестве детектора в ААС обычно используют фотоумножители. Это связано с тем, что интенсивность излучения источника невысокая. Детектор связан через усилитель с соответствующим регистрирующим устройством.

20.3.3. Практическое применение

ААС используется для количественного определения более 70

элементов, главным образом, металлов.

Зависимость между степенью поглощения электромагнитного излучения и концентрацией поглощающего вещества в ААС такая же, как и в других абсорбционных методах анализа. Оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации атомов соответствующего элемента в атомизаторе и, следовательно, в анализируемой пробе

A k C

Коэффициент k является эмпирической величиной. Определение концентрации в ААС проводят методом градуировочного графика или методом добавок.

В Республике Беларусь ААС используется для определения неорганических токсикантов («металлических ядов») в различных биологических объектах при судебно-химическом и химикотоксикологическом исследовании. Пределы обнаружения большинства элементов составляют при использовании пламени 1-100 мкг/л, при электротермической атомизации на несколько порядков меньше. Основные ограничения данного метода анализа связаны с необходимостью наличия большого набора соответствующих ламп, а также необходимостью переведения анализируемого объекта в раствор.

247

		Раздел 3
	20.4. Молекулярная абсорбционная спектроскопия в
	УФ- и видимой области
	УФ
	10		400		800
	200	ближняя
		УФ-область
	< 180 нм поглощается O2,
	< 160 нм и O2, и N2
	Молекулярную абсорбционную спектроскопию в УФ- и види-
	мой областях спектра называют спектрофотометрией либо фотомет-
	рией.
	20.4.1. Молекулярные спектры поглощения в УФ- и видимой
	области
				Молекулярные	абсорбцион-
	возбуждённое		ные спектры в УФ- и видимой об-
			ласти состоят не из отдельных чёт-
	электронное		ко определённых линий, а из ши-
	состояние		роких полос. Это вызвано следую-
			щими причинами. Как и атомы мо-
	основное		лекулы могут поглощать только та-
			кое	электромагнитное	излучение,
	электронное
	состояние		энергия которого точно равна раз-
	Рис. 20.9. Электронные	переходы в	ности между энергиями основного
	гипотетической молекуле		и возбуждённого состояния. Одна-
			ко, полная энергия молекулы явля-
	ется суммой энергии электронного состояния (Еэл), энергии колебания
	атомов, входящих в её состав (Екол) и энергии вращения данной моле-
	кулы (Евр), причём Еэл > Екол >> Eвр. Каждому электронному состоя-
	нию молекулы соответствует целая группа колебательных, а каждому
	колебательному, в свою очередь, большое число вращательных со-
	стояний. Энергия электромагнитного излучения УФ- и видимого
	диапазона соответствует энергии возбуждения валентных элек-
	тронов. Для того чтобы произошёл переход молекулы из одного ко-
	лебательного состояния в другое без изменения её электронного со-
	стояния, достаточно энергии ИК-излучения, а между двумя враща-
	тельными энергетическими уровнями в пределах одного и того же ко-
	лебательного - энергии излучения микроволнового диапазона.

248

Инструментальные методы анализа

При поглощении электромагнитного излучения УФили 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.

lg 4,5
4					O
					O
3,5
3
200	250	300	350	400	450
					нм

N HSO4

OCH3

OCH3

Рис. 20.10. Спектр поглощения берберина бисульфата (водный раствор)

Основными характеристиками полосы поглощения являются её положение и интенсивность (рис. 20.11).

макс	полуширина
	полосы
	поглощения
1/2 макс
макс

Рис. 20.11. Основные характеристики полосы поглощения

249

Раздел 3

Положение максимума полосы поглощения ( 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. По-

глощение с макс > 104 считается интенсивным (максимально возмож-

ное значение составляет примерно 2 105), поглощение с макс < 103 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 органиче-

ских соединениях могут происходить 4 типа электронных переходов: *, n*, * и n *. Энергия переходов первых двух типов соответствует энергии УФ-излучения вакуумного диапазона (например, * в молекуле этана - 135 нм, n * в молекуле метанола - 183 нм). Энергия * переходов изолированных -связей соответствует ЭМИ с < 200 нм, например в молекуле

этилена - 165 нм. При сопряжении нескольких -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, называют-

ся ауксохромами.

OH ауксохром

хромофор

Ауксохромы имеют неподелённые электронные пары, находящиеся в сопряжении с -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 (гиперхромный 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.

250

Инструментальные методы анализа

однолучевые двухлучевые

количество используемых
световых потоков				спектрофотометры
ПРИБОРЫ,	ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ			способ и степень
В ФОТОМЕТРИИ				монохроматизации излучения
способ		регистрации		фотоэлектроколориметры
аналитического сигнала

регистрирующие нерегистрирующие

Принципиальная схема однолучевого прибора показана на рис. 20.12.

		устройство для
источник		выделения							детектор
излучения		спектрального
		интервала
				кюветное
									регистрирующее
				отделение
									устройство

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

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

дейтериевая	лампа
лампа	накаливания
180-350 нм	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.

251

Раздел 3

Вфотоэлектроколориметрах для 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. Фотоэлектроколориметры используют обычно для проведения серийных измерений концентрации веществ, поглощающих в видимой или длинноволновой УФ-области электромагнитного спектра.

Вспектрофотометрах для выделения из спектра испускания источника излучения с нужной длиной волны применяют монохрома-

торы: дифракционные решётки или призмы. Монохроматор позво-

ляет 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

вспециальные 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

вобласти 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.

Воднолучевых приборах в поток излучения вначале помещают кювету сравнения и настраивают по ней прибор на ноль оптической плотности. Затем в поток излучения помещают рабочую кювету. При

изменении настройку прибора следует повторить. В двухлучевых спектрометрах поток, 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.

252