Лекция 4. Тема. Оптические спектральные методы анализа. Основные моменты

При проведении любой экспертизы велико значение и широка область применения и перспективы использования оптических методов анализа, позволяющих с большой точностью количественно определять макро- или микроэлементов, в том числе токсичных, а также концентрацию других веществ, обусловливающих потребительские свойства продовольственных товаров.

Спектроскопия использует весь диапазон электромагнитного излучения, включая гамма - лучи, рентгеновские лучи, инфракрасные лучи, видимые и ультрафиолетовые лучи, микроволновое излучение и радиочастоты. Это чувствительный метод определения более 60 элементов. Его применяют для анализа многочисленных материалов, включая биологические среды, вещества растительного происхождения, цементы, стекла и природные воды.

Химический элемент - совокупность атомов одного и того же типа. Молекула может состоять как из одинаковых атомов, так и из различных. Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра, причем число протонов определяет атомный номер данного элемента в Периодической таблице. Разные электроны в разной степени связаны с ядром. При поглощении электромагнитного излучения атом возбуждается.

Спектроскопия - методы, основанные на ис­следовании спектров избирательного (испускания) поглощения излучения анализируемым веществом.

Их классификацию целесообразно произвести по трем, в известной мере независимым друг от друга позициям.

1. ЧТО взаимодействует с веществом? Какова природа взаимодействующих с электромагнитным излучением (ЭМИ) частиц? С этой точки зрения спектроскопические методы подразделяются на атомные и молекулярные. В атомных методах с излучением взаимодействуют отдельные атомы (или одноатомные ионы) независимо друг от друга. Такие методы позволяют определить лишь элементный состав вещества. В молекулярных методах с излучением взаимодействуют многоатомные частицы (молекулы, многоатомные ионы) как единое целое. С помощью молекулярных методов возможно определение молекулярного состава вещества, изучение характера химических связей и т.д.

2. С ЧЕМ взаимодействует вещество? Источники излучения: пламя (1500-3000 ^оС), электрическая дуга (3000-5000 ^оС), электрическая искра (7000-10000 ^оС). В каком диапазоне энергий находится электромагнитное излучение, используемое в данном методе анализа?

3. КАК происходит взаимодействие? Каков физический характер процесса взаимодействия излучения с веществом — испускание излучения, его поглощение, рассеяние, преломление и т.д.? Нами будут рассмотрены главным образом методы, основанные на двух из перечисленных процессов — испускании и поглощении ЭМИ.

Общая блок - схема спектральных приборов:

СВП - система ввода пробы (компрессор для получения аэрозоля).

СВС - система выделения спектра:

• призма

• светофильтр

• дифракционная решетка

СРС - система регистрации спектра

Большой класс оптических методов молекулярного анали­за основан на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Поглощенная веществом энергия излучения затрачивается на возбуждение электронов, колебание атомов и вращение молекул.

На рис.5.4. показаны схематично соотношения между энергией, необходимой для осуществления различных переходов в двухатомной молекуле. На рис.5.5. показан переход в возбужденное состояние в результате поглощения энергии и последующей ее потери.

При этом электроны, атомы или молекулы переходят из основно­го состояния с энергией Е_о в возбужденное с энергиями Е₁, Е₂ и т. д. Разность в энергиях основного и возбужденного состояний соответствует поглощенной энергии излучения. Она связана с частотой излучения ν классическим соотношением квантовой механики:

ΔE = hν,

где h — постоянная Планка; ν — частота излучения.

Энергия квантов Е - важнейшая характеристика электромагнитного излучения. В системе СИ энергия измеряется в джоулях, в спектроскопии энергия электромагнитных квантов может измеряться внесистемными единицами – электроновольтами (эВ).

Излучение возбужденных атомов можно охарактеризовать длиной волны λ (УФ/VIS спектроск-я), волновым числом ¯ν (ИК - спектроск-я) или частотой ν, т.е. числом колебаний каждой данной точки в 1секунду. Эти параметры связаны между собой:

ν (с^-1) = с/λ, где с – скорость света и ¯ν (см^-1) = 1/λ

Частота испускаемого или поглощаемого излучения определяется разностью энергии между электронными состояниями ΔЕ= Е - Е':

ν = ΔЕ / h

Взаимодействие с веществом сопровождается явлениями, из которых наиболее важны испускание, поглощение и рассеяние излучения. Возникающие сигналы несут качественную и количественную информацию о веществе. Качественную информацию несет частота сигнала (интенсивное свойство), связанная с природой вещества, количественную – интенсивность сигнала (экстенсивное свойство), зависящая от количества вещества.