Спектрофотометрический метод — задачи и применение

На способности поглощения молекулами и атомами излучения, имеющего электромагнитную природу, базируется спектрофотометрический метод.

Описание метода

Молекулы, имеющие одинаковую связь и образующие одну группу, в ИФ области выдают полосы поглощения соответствующей характеристической частоты. Данные характеристические частоты помогают определить по получаемому спектру имеющиеся в исследуемой взвеси наличие искомых групп атомов или молекул.

Делят спектрофотометрию: на молекулярную, когда искомое вещество молекулярная структура, и атомную. В зависимости от длин волн, которые способен различить прибор, и веществ, которые надо будет определять, выбираются спектрофотометры.

Для внесения поправок на законы преломления и рассеяния в некоторых устройствах, проводят измерение взвеси (раствор с исследуемым веществом) и раствора. Когда луч света проходит через взвесь, то в зависимости от поглощающих свойств вещества, происходит его ослабление. Интенсивность ослабления луча имеет зависимость от содержания вещества во взвеси. Более точная зависимость определяется у Бугера-Ламберта-Бера (БЛБ), закон «вещество его толщина – от ослабления линии энергии».

Спектрофотометрическое определение фигурирует во многих областях для разных задач:

• подтверждает подлинность заявленного элемента/продукта;
• определяет доброкачественность изготовленного препарата;
• с его помощью находят радиоактивные элементы в водоемах;
• количественно оценивает, сколько разных веществ находится во взвеси;
• различать химические элементы во взвеси.

Применяется в биологических и геологических лабораториях, в целях радиационной безопасности (на АЭС, институтах и т.д.), промышленностях, где требуется знать химический состав продуктов и материалов.

Математическое описание

Введем понятие коэффициента пропускания Т.

Я – интенсивность световой энергии, прошедшей через взвесь;

Значения i0 – через раствор.

Для определения концентрации искомых веществ, используют спектрофотометры оптическую плотность, которая находится как д=-log10 коп(Т).

Количественно концентрация отыскивается посредством закона БЛБ:

Я=команда i0*10-цэп

Легко С помощью элементарных преобразований можно получить, что метод log10(Т)=ε*л*ц или д= ε*л*с.

Обозначения переменных представлены ниже в ограничениях данного закона.

Если в раствор вводят несколько исследуемых элементов, то метод применим и в этом случае. Каждый элемент будет давать свой вклад в общую оптическую плотность по закону сложения:

Д=Д1+Д2+…+ДК.

Бугера-Ламберта-Бера Закон определяет, что оптическая плотность, линейно связана с концентрацией, а ее график выходит из начала координат. В реальности линейность не всегда наблюдается.

Ограничения закона БЛБ

Чтобы полностью закон выполнялся, должны соблюдаться следующие условия:

Излучение должно быть монохроматическим, т.е. длина волны должна быть одинаковой, ей будут просвечивать раствор и взвесь.

Молярный коэффициент поглощения (ε) зависит от преломляющих свойств сред – как взвеси, так и раствора. Если преломление во взвеси сильнее, то линейный закон не применим. Чем больше коэффициент ε, тем более чувствительным будет метод в данном определении.

Во время измерений должна быть постоянная температура окружающей среды. Допустимо изменение только в пределах пары градусов.

Применяться должен только параллельный пучок света.

В процессе измерения спектрофотометром концентрация (с) анализируемого вещества не должна меняться вследствие изменения природы исследуемого вещества. Например, во взвеси не должны переходить молекулы в ионы, в результате диссоциации или кислотно-основной реакции.

Стараться избегать возбуждения электронов в атоме (иногда такой способ применяют для анализа тоже, но в классическом применении его избегают), то есть не облучать атомы энергией свыше шестидесяти килоджоулей.

Свет должен проходить одинаковый путь (л) при измерении раствора и взвеси.

В качестве раствора часто применяют дистиллированную воду.

Ограничения метода

Поглощаются Интенсивнее те энергии (длина волны), которые соответствуют энергетическим уровням возбуждения внутренних переходов атомов и молекул: тогда молярный коэффициент поглощения максимален.

Метод плохо работает для смеси газов.

Ограничения закона БЛБ.

Положительные качества

Хорошо подходит для определения состава инертных газов.

Работает с низкими концентрациями – различает элементы, если их немного во взвеси.

Можно добиться расширенной неопределенности на уровне 0,5-1,%.

Применим как для высокого, так и для низкого содержания вещества в растворе.

Применим для примесей, ввиду закона сложения.

Быстрота определения (если не считать подготовку растворов).

Простота.

Техническая часть метода

Спектрофотометрическое исследование требовательно относится к подготовке растворов, как окрашенных, так и чистых. Для того чтобы производить измерения спектров, используют спектрофотометр и фотоколориметр, в которые помещают исследуемые растворы.

Основные части спектрофотометра:

источник излучения;

монохроматор (если источник света не может дать монохроматический луч);

кювета, в которую размещаются растворы и взвеси;

измерительный прибор.

Основные части расширяются: 1 призмами, зеркалами и линзами, чтобы добиваться параллельности света, 2 клиньями и диафрагмами, которые выравнивают интенсивность световых лучей.

Получить монохроматический свет можно следующими источниками света:

• непрямым солнечным светом;
• галогенными лампами;
• лазером;
• штифтом Нернста;
• лампой накаливания;
• глобар штифт;
• флуоресцентным излучением.

Спектрофотометрическое измерение, как описано выше, требует подбора нужной оптической линии. Оксиды Для изготовления штифта Нернста (шН) применяют редкоземельных меня, которые плотно спрессовывают между собой в столбец. Глобар (Г) получают в спрессовыванием столб, карбида кремния. Когда через них пропускают ток, то они выдают световое излучения с соответствующими длинами волн: шН – от 1,6 до 2,0 мкм или от 5,6 до 6,0 мкм; Г – от 2 до 16 мкм.

Монохромизаторы – это те устройства, которые создают стабильную волну. В качестве начинки монохромизаторов используют светофильтры и призмы. Разделяют на светофильтры:

Абсорбционные.

Интерференционные.

Интерференционно-поляризационные.

Для изготовления светофильтров и кюветов чаще всего используют кварц и стекло.

В качестве приемников интенсивности световых лучей или рецепторов используют фото-умножители и фотоэлементы. Характеризуют рецепторы по двум свойствам: спектральная и интегральная чувствительность. Первая характеристика – умение различать разные оптические линии, интегральная чувствительность – умение реагировать на сплошной поток света.

Для измерений в области ИК, используют излучения термоэлементы, которые делают из термо-ЭДС или термопары, и болометр. Последний изменяет сопротивление материала при воздействии на него температурой: термоэлемент встроен в мостовую схему, инфракрасное излучение вызывает нагревание этого элемента и разбаланс моста.

Спектрофотометрический анализ включает в себя построение градуировочной характеристики по известным образцам, чтобы вывести зависимость С=Ф(Г), соотнесение полученных результатов в последующем. Когда градуировочная характеристика определена, то порядок измерения такой: 1 раствор (является основой при измерениях) — его измерение, 2 добавление в раствор исследуемого вещества,3 добавление красителя. В этом случае, степень окраски взвеси должна зависеть прямо, от концентрации исследуемого вещества, 4 измерение в спектрофотометре окрашенного раствора. В Иногда спектрофотометр вбиты соответствующие базы, и тогда метод не требует градуировочных образцов.

Производная спектрофотометрия

При этой разновидности метода, используют две разные линии света, для измерения взвеси. Лучи близко расположены друг к другу по спектру, формируются светофильтрами, которые встроены в прибор. Данное устройство может определить концентрацию разных веществ в одном растворе. По сравнению со спектрофотометрами цена на фотоколориметры не высока (спектрофотометр СФ-2000-02 стоит 192 000 руб., а фотоколориметр КФК-5М 55 000 руб.), а точность достаточна, для проведения большинства анализов.

Современные спектрофотометры позволяют менять величину кювета, что увеличивает возможности анализа, некоторые производят анализ всего за несколько секунд.

Источник