Ларичева Оптические спектроскопические методы анализа 2010

Провести измерения для всех стандартных растворов марганца и хрома. Для хрома измерения проводить на одной длине волны – на максимуме поглощения хрома.

Полученные данные занести в табл. 2.1 Градуировочные графики строят в координатах «оптическая плотность – концентрация стандартных растворов».

				Таблица 2.1
№ пробы	Объем эталона в	Концентрация	D,	D,
	растворе, мл	иона в растворе,	λ1	λ2
		мкг/мл

3.Определение содержания марганца и хрома

ванализируемой пробе

Получают у преподавателя колбу с исследуемой пробой. Добавляют в нее 5 мл серной кислоты (1:1) и доводят водой до метки. Снимают показания прибора на длинах волн: 1) на максимуме поглощения марганца, где поглощение хрома равно нулю; 2) на максимуме поглощения хрома.

По первому градуировочному графику определяют содержание марганца в мкг/мл, пересчитывают на объем колбы. Зная содержание марганца в исследуемом растворе, по третьему графику определяют оптическую плотность раствора при максимальном поглощении хрома. Затем находят разность между общей оптической плотностью смеси и оптической плотностью марганца при максимальном поглощении хрома. По второму градуировочному графику определяют содержание хрома в растворе в мкг/мл и пересчитывают на объем колбы.

Составление отчета

В отчете должна быть сформулирована цель и задача выполнения данной лабораторной работы. Описана последовательность

31

приготовления серии стандартных растворов. Приведены данные и построены спектры поглощения хрома и марганца в диапазоне от 300 до 600 нм. Результаты измерений должны быть представлены в виде градуировочных графиков. Содержание марганца и хрома определяют графически с помощью метода наименьших квадратов. В заключении делается вывод о выполнении данной работы.

Контрольные вопросы

1.Принцип подбора кюветы при спектрофотометрических измерениях.

2.Как экспериментально определяют коэффициент экстинкции?

3.Чему равно максимальное значение коэффициента экстинкции для молекул в растворах?

4.Чему равно минимальное значение оптической плотности, которое можно измерить с необходимой точностью?

5.Почему измерение поглощения стандартных растворов и исследуемой пробы необходимо проводить на одном приборе?

32

3. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Законы люминесценции

Закон Стокса–Ломмеля. При поглощении света молекула переходит в возбужденное состояние. Часть энергии перераспределяется по колебательным уровням молекулы, причем часть энергии возбуждения превращается в тепловую, а часть – выделяется в виде света. Таким образом, энергия квантов света, выделяющаяся при люминесценции, будет меньше, чем энергия квантов возбуждающего света. Это утверждение известно как правило Стокса: спектр люминесценции всегда смещен в сторону длинных волн по сравнению со спектром поглощения.

Ломмель придал закону Стокса более гибкую формулировку, утверждающую, что максимум спектра излучения всегда сдвинут в более длинноволновую область по сравнению с максимумом поглощения. Такая формулировка получила название правила Сто- кса–Ломмеля.

Правило Левшина или правило зеркальной симметрии.

Нормированные спектры поглощения и флюоресценции зеркально симметричны относительно прямой, перпендикулярной оси частот и проходящей через точку пересечения спектров ν0 , причем для ν0

можно записать:

2ν0 = νл + νп ,

(3.1)

где νл и νп – симметричные волновые числа (частоты) люминесценции и поглощения. Частота ν0 может быть интерпретирована

как частота электронного перехода Е0 ↔ Е1. Поэтому выражение (3.1) можно переписать в виде:

νл – νп = 2( νп – ν0 ) или

ν

= 2 νп – 2 ν0 .

(3.2)

Из этого выражения следует, что при выполнении зеркальной

симметрии наблюдается линейная зависимость между	ν и νп .
Если на графике отложить по оси ординат величину	ν , а по оси
33

абсцисс νп , то при строгом выполнении закона зеркальной сим-

метрии должна получиться прямая линия с тангенсом угла наклона, равным 2.

Закон Вавилова. Важной закономерностью люминесценции является связь между интенсивностью возбуждения света и интенсивностью люминесценции. Отношение числа излученных при люминесценции квантов Nл к числу поглощенных квантов Nп называется квантовым выходом: Q = Nл / Nп. Вавилов установил закономерность, согласно которой в определенных пределах спектра квантовый выход не зависит от длины волны. Спектр люминесценции не зависит от того, каким участком спектра возбуждается люминесценция данного вещества, т.е. спектр люминесценции зависит от набора энергетических уровней молекулы и не зависит от того, какие именно кванты света были израсходованы на переход молекулы в возбужденное состояние.

Тушение люминесценции. При увеличении концентрации разбавленных растворов вещества люминесценция возрастает сначала пропорционально концентрации, а затем начинает «отставать» от концентрации.

Причины тушения различны. Обычно различают два рода тушения. Тушением первого рода называют явления, которые обусловлены быстрым возвращением возбужденной молекулы в нормальное состояние. Это происходит, например, при возбуждении люминесценции длинноволновым светом, перекрывающим спектр люминесценции.

Тушение второго рода обусловлено взаимодействием между возбужденными молекулами и молекулами посторонних веществ или другими молекулами самого люминесцирующего вещества. Чаще всего это обусловлено столкновением возбужденных молекул с другими и потерей энергии возбуждения. Сюда относится, прежде всего, температурное тушение. При повышении температуры вероятность столкновений увеличивается, что ослабляет свечение. При охлаждении люминесценция усиливается.

Для химических методов люминесцентного анализа наиболее важно концентрационное тушение. Оно наблюдается даже в отсутствие посторонних веществ, непосредственно при изменении кон-

34

центрации самого растворенного вещества. Иногда это тушение связано с изменением состояния вещества, например, с образованием димеров, которые могут играть светофильтров, поглощающих часть возбужденного света.

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

В лабораторной работе используется спектрофлюориметр (анализатор) марки «Флюорат–02–Панорама». Анализатор имеет два основных режима измерений: флюориметрический и фотометрический.

Источник света анализатора – ксеноновая лампа высокого давления. Рабочий диапазон анализатора от 200 до 600 нм.

Принципиальная схема спектрофлюориметра представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема спектрофлюориметра: 1 – источник света;

2 – монохроматор возбуждения;

3 – кювета с раствором;

4 – монохроматор регистрации (люминесценции); 5 – фотодетектор; 6 – регистрирующий прибор

Для подготовки прибора к работе на рабочем столе компьютера выбираем метку «Панорама». Открываем меню. Выбираем метку «Прибор» и «Виртуальная панель». На виртуальной панели задаем параметры. Занесение в память любых параметров осуществляется нажатием клавиш «#»: С=100#, А=1#, F=91# и «И» (измерение).

35

После нажатия клавиши «И» ждем 5 минут, пока прибор прогреется. Остановка прогрева производится клавишей «0» без #.

Лабораторная работа № 5

ПРОВЕРКА ПРАВИЛ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Цель работы: Проверка правил Стокса–Ломмеля и зеркальной симметрии и определение содержания фенола методом градуировочного графика.

Приборы и реактивы:

- раствор фенола с концентрацией 12,6 мг/л; - колбы мерные: 50 мл – 5 шт., 100 мл – 1 шт.;

-спектрофлюориметр «Панорама 02М»;

-спектрофотометр СФ-56.

Порядок выполнения работы

1. Проверка правила Стокса–Ломмеля и правила зеркальной симметрии

Приготовление стандартных растворов. В мерной колбе го-

товят эталонный раствор фенола с концентрацией 126 мг/л. Путем разбавления из эталонного раствора готовят раствор с концентрацией 12,6 мг/л в колбе на 100 мл. Снимают спектр поглощения раствора (12,6 мг/л) на спектрофотометре СФ-56 в диапазоне длин волн 240–800 нм. Спектр снимают с шагом 10 нм, в области пика – с шагом в 1 нм.

Снимают спектр люминесценции на флюориметре.

Порядок работы на флюориметре. Включить анализатор тумблером «Сеть» на передней панели прибора. При этом должен загореться светодиодный индикатор. Контроллер анализатора начнет инициализацию – проверку связи между всеми электронными устройствами прибора и установку исходных режимов и парамет-

36

ров работы. Во время инициализации по индикаторам клавиатуры пробегает «световая дорожка». По окончании инициализации (около 2 с) на табло монохроматоров установятся значения их текущих настроек, а на табло результатов – номер версии программы управления прибором – буква «Н.» и три цифры, например «Н.32.1». После этого прибор готов к использованию.

Примечание. Если после инициализации вместо номера версии программы на табло результатов появится сообщение об ошибке в виде буквы «Е» и двузначного числа, то следует выключить и после 3-секундной паузы повторно включить прибор сетевым выключателем.

Прогрев прибора.

1.После выполнения включения введите в память анализатора ненулевые значения параметров «С» и «А» (например, «С»=100 и «А»=1). Занесение в память значений любых параметров осуществляется нажатием на клавишу «#».

2.Проследите за тем, чтобы в кюветном отделении не было кюветы, а монохроматоры были настроены на разные длины волн (установите значение настройки монохроматора регистрации на длину волны, отличающуюся от длины волны монохроматора возбуждения не менее чем на 10 нм (например: 272 нм и 282 нм)).

3.Переведите анализатор в режим циклических измерений с паузой 1 с (F9 = 1), нажимая последовательно клавиши «F», «9», «1», «#», «И».

4.Через 10 мин выключите режим прогрева, нажав на клавишу

«0».

Подготовка программы к выполнению спектральных измерений.

1.Запустить программу «Панорама», управляющую работой прибора, кликнув на рабочем столе компьютера иконку с обозначением SPF.

2.Кликнуть в главном меню кнопку «Измерения» и далее «Спектральные».

3.В окне «Спектральные» установить следующие значения:

−«Сканирование» – «по регистрации»,

−«Чувствительность» – «минимальная»,

37

−«Регистрация»:

«От» – «210»;«До» – «450»;«Шаг» – «1»;

«Усреднение» – «25»;

−«Монохроматор возбуждения» установить – «272» «Установить»;

−«Монохроматор регистрации» установить – «450» «Перечи-

тать»;

−«Возбуждение длина волны» установить – «272»;

−«Каналы» установить флажок – «Флюориметрия»;

−«Задержка строба» установить – «0;05» мкс;

−«Длительность строба» установить – «3» мкс;

−«Название спектра» ввести название пробы, дату.

Работа с кюветами. При работе с кюветами необходимо соблюдать чистоту. Запрещается касаться пальцами граней кювет ниже уровня 2/3 высоты. Наличие загрязнения или капель раствора на внешней поверхности кювет ведет к получению недостоверных значений. При случайном попадании растворов внутрь кюветного отделения необходимо немедленно удалить жидкость и затем насухо протереть залитые места.

1.Заполнить чистую кювету до 2/3 её высоты исследуемым раствором или холостой пробой, проведенной через все стадии пробоподготовки.

2.Аккуратно, не допуская разбрызгивания жидкости, установить заполненную кювету в кюветное отделение. Закрыть крышку кюветного отделения.

Снятие и обработка спектра.

1.Снять спектр исследуемой пробы – кликнуть кнопку «Старт»

вокне «Спектральные измерения».

2.После завершения снятия спектра сохранить данные – кликнуть кнопку «Файл» главного меню, далее кликнуть «Сохранить как…», выбрать в диалоговом окне директорию и ввести имя файла для сохранения данных, кликнуть кнопку «Сохранить».

38

3.Определить положения максимума спектра люминесценции

иего интенсивности – в окне спектра, справа кликнуть кнопку «Установка маркера на максимуме». Слева отобразятся значения:

«X» – значение длины волны максимума люминесценции, нм; «Y» флюор(x) – значение интенсивности люминесценции.

Выключение прибора.

1.Аккуратно извлечь кювету из кюветного отделения. Закрыть крышку кюветного отделения.

2.Закрыть программу управления прибором обычной процедурой, как для любого приложения Windows.

3.Выключить прибор тумблером «Сеть» на передней панели прибора.

Построение графиков. Сняв показания, строят график зависи-

мости D = f( ν ) и I = f( ν ), где ν = 1/λ (см-1) (рис. 3.2). Нормируют полученный график по ширине и высоте. Проверяют выполнение правила Стокса–Ломмеля и правило зеркальной симметрии, построив график зависимости ν = νп −νл , где νп – частота погло-

щения, νл – частота люминесценции. Правило зеркальной симметрии соблюдается, если на графике tgα ≈ 2.

Рис. 3.2. Зависимость оптической плотности от частоты: 1 – спектр люминесценции; 2 – спектр поглощения

39

Проверяют выполнение правила зеркальной симметрии, построив график зависимости ν = νп −νл от νп . Правило зеркальной симметрии соблюдается, если на графике tg α ≈ 2:

ν= νп −νл = 2( νп −ν0 ) = 2νп −2ν0 .

2.Определение содержания фенола методом градуировочного графика

Из эталонного раствора разбавлением готовят стандартные растворы с концентрацией – 5, 10, 15 мг/л.

Измерения фона. Кювету заполняют водой. В «рабочем столе» компьютера находят метку «Панорама» – открывают «меню». Выбирают метку «прибор» и «виртуальная панель прибора». На экране появляется панель прибора, на которой задают следующие па-

раметры (все параметры для спектрофлюориметра задаются вместе с инженером или преподавателем!):

а) устанавливают для монохроматора возбуждения максимум (max) поглощения, снятый на спектрофотометре; для монохроматора регистрации устанавливают max люминесценции;

в) флюориметрический режим – «F» «2» «0» «#»; г) чувствительности измерений – «F» «1» «0» « #»; д) число импульсов – «N» «25» «#».

е) на виртуальной панели нажимают «Ф» «И». Прибор показывает значение фона.

Измерение интенсивности излучения стандартных раство-

ров. На виртуальной панели вводится количество измеряемых то-

чек – «Г», «3», «#».

Снимают показание прибора первой точки. Для этого кювету заполняют первым раствором (5 мг/л) и помещают в кюветное отделение. На виртуальной панели нажимают кнопки: «С», «5», «#»; далее «Г», «И». Прибор показывает значение интенсивности I1, которое заносят в журнал в таблицу результатов.

Снимают показание второй точки. На виртуальной панели нажимают кнопки: «Г», «Г», «С», «10», «#», далее «Г», «И». Прибор показывает значение интенсивности I2.

40