Глава 1. Спектрофотометрия
Этот метод, применяемый чаще других и наиболее совершенный среди методов абсорбционного молекулярного анализа, основан на использовании специальных спектральных приборов — спектрофотометров, позволяющих регистрировать световые потоки в широком интервале изменения длин волн от -185 нм до ~1100 нм, т.е. в УФ, видимой и ближней ИК области спектра, и обеспечивающих высокую степень монохроматичности света (-0,2—5 нм), проходящего через анализируемую среду.
В большинстве спектрофотометров, применяемых в аналитической практике, монохроматизация светового потока осуществляется за счет использования диспергирующих (разлагающих свет в спектр) элементов — призм или дифракционных решеток. Разработаны различные конструкции спектрофотометров, работающих как по однолучевой (одноканальной), так и по двухлучевой (двухканальной) схеме.
На рис. 1 показана принципиальная блок-схема, включающая основные узлы, обеспечивающие работу спектрофотометра.
Рис. 1. Принципиальная блок-схема спектрофотометра: 1 – источник излучения; 2 — монохроматор; 3 — кюветное отделение; 4 — приемник излучения (фотоэлементы); 5 – усилитель; 6 – регистратор (отсчетное или записывающее устройство)
Свет от источника излучения 1 попадает в монохроматор 2, в котором он разлагается в спектр. Монохроматизованный световой поток проходит после этого через кюветное отделение 3, в котором устанавливаются кюветы с анализируемым раствором и раствором сравнения («нулевым» раствором). Пройдя через кюветы с растворами, световой поток попадает на фотоэлементы приемника излучения 4, в котором энергия светового потока преобразуется в фототок, усиливаемый в блоке усилителя 5, после чего усиленный электрический сигнал регистрируется в блоке регистратора 6 либо в виде спектральной кривой, либо по показанию отсчитывающего устройства.
В качестве источника излучения в спектрофотометрах используют лампы накаливания при работе в видимой области спектра, в которой они обеспечивают непрерывный световой поток (а не линейчатый, даваемый ртутной лампой), и водородные либо дейтериевые лампы — при работе в УФ диапазоне спектра (-200—350 нм).
Для разложения светового луча в спектр в монохроматоре чаще всего используют призмы или дифракционные решетки. При работе в видимой и в ближней ИК области используют стеклянные призмы, а также стеклянные конденсоры (линзы) и кюветы. При работе в УФ диапазоне 200-400 нм применяют кварцевую оптику (призмы, конденсоры, кюветы), так как стекло поглощает УФ лучи.
При использовании спектрофотометров, работающих по однолучевой схеме, в световой поток в кюветном отделении попеременно вносят кювету с раствором сравнения (нулевым раствором) и кювету с анализируемым раствором. В кюветное отделение спектрофотометров, работающих по двухлучевой схеме, устанавливают одновременно обе кюветы: кювету с нулевым раствором — в канал сравнения, кювету с анализируемым раствором — в измерительный канал.
Обе кюветы — с нулевым и с анализируемым растворами — должны быть совершенно одинаковыми, с равной толщиной поглощающего слоя. При толщине поглощающего слоя l = 1 см допустимое отклонение не должно превышать Dl = ± 0,005 см при температуре (20 ± 1) °С. Обе кюветы, заполненные чистым растворителем, должны иметь одинаковую оптическую плотность при одной и той же длине волны.
Градуировку спектрофотометров по длинам волн (или волновым числам) контролируют по положению максимумов в спектре поглощения стандартов — раствора перхлората гольмия, ртутной, дейтериевой разрядной и водородной разрядной лампы (табл. 1).
Погрешность измерения длин волн на обычных спектрофотометрах составляет ± 2 нм в области 200—800 нм.
Таблица 1. Положение максимумов в спектрах поглощения стандартов (Но — раствор перхлората гольмия, Hg — пары ртутной лампы, D — дейтериевая лампа, Н — водородная лампа)
| l, нм | l, нм | l, нм | l, нм |
| 241,15 Но | 313,16 Hg | 404,66 Hg | 536,3 Но |
| 253,7 Hg | 334,1 5 Hg | 435,83 Hg | 546,07 Hg |
| 287,15 Но | 361,5 Но | 486,0 D | 576,96 Hg |
| 302,25 Hg | 365,48 Hg | 486. 13 Н | 579,07 Hg |
| 656,28 Hg |
Таблица 2. Удельный коэффициент погашения Е стандартного раствора дихромата калия при разных длинах волн l
| l, нм | Е | Допустимые отклонения в значении Е |
| 235 257 313 350 | 124,5 144,5 48,6 107,3 | 122,9—126,2 142,8—146,2 47,0—50,3 105,6—109,0 |
Градуировку спектрофотометров по оптической плотности (или по пропусканию) контролируют по стандарту — сернокислому раствору дихромата калия К2Сr2О7. В табл. 2 приведены значения удельного коэффициента погашения Е для стандартного раствора дихромата калия.
Таблица 3. Молярные коэффициенты погашения е (л • моль-1 × см-1) хромата и нитрата калия в водных растворах (по данным В.М. Пешковой и М.И. Громовой)
| l, нм | e | l, нм |
| ||
| K2CrO4 | KNO3 | K2CrO4 | KNO3 | ||
| 254 | 2570 | 359 | 313 | 193,5 | 5,26 |
| 265 | 3160 | 1,56 | 334 | 985 | 0,45 |
| 280 | 3290 | 3,68 | 366 | 4410 | |
| 289 | 2086 | 5,61 | 405 | 1330 | |
| 297 | 927 | 6,84 | 436 | 310 | |
| 303 | 498 | 6,93 | |||
Разработаны различные приемы спектрофотометрии — прямая (непосредственная), дифференциальная, производная спектрофотометрия, спектрофотометрическое титрование.
Концентрацию определяемого вещества в анализируемом растворе при спектрофотометрических измерениях находят, как и в фотоэлектроколориметрии, с использованием либо основного закона светопоглощения, либо градуировочных графиков.
Спектрофотометрические методы обладают, по сравнению с фотоэлектроколориметрическими, большей точностью и чувствительностью, позволяют проводить анализ многокомпонентных систем без разделения компонентов, определять вещества, не поглощающие в видимой области спектра (но имеющие полосы поглощения в УФ диапазоне). Относительные ошибки спектрофотометрических определений не превышают ±2%.
В отличие от фотоколориметрии и фотоэлектроколориметрии, спектрофотометрия позволяет не только проводить измерение оптической плотности при фиксированной длине волны, но и получать спектры поглощения в широком спектральном диапазоне.
Из всех фотометрических методов спектрофотометрия применяется наиболее широко при анализе самых различных объектов неорганической и органической природы.
Для приготовления стандартного раствора дихромата калия растворяют 57,0—63,0 мг К2Сг2О7, предварительно высушенного при 130 °С до постоянной массы, в 0,005 моль/л серной кислоте в мерной колбе на 1000,0 мл и доводят раствор до метки той же кислотой.
В качестве стандартов при контроле измерения оптической плотности используют также 0,3 моль/л водный раствор нитрата калия и 0,0001 моль/л раствор хромата калия К2Сг2О4 в 0,05 моль/л растворе гидроксида калия КОН, значения молярных коэффициентов которых приведены в табл. 3. [2]
Cary 4000
Обеспечивает наилучшие фотометрические характеристики в спектральном диапазоне от 175 до 900 нм, использую уникальную Optical Isolation System.
Cary 6000i
Фирма Varian была первым в мире производителем, создавшим спектрофотометр с детектором InGaAs. Cary 6000i - второе поколение приборов этого типа, обеспечивающих уникальную чувствительность и оптическое разрешение в ближнем ИК диапазоне, необходимые при работе с оптоволоконными компонентами. Прибор сочетает непревзойденные характеристики Cary 5000 при работе в УФ диапазоне с возможностями, предоставляемыми детектором на арсениде индия и галлия при работе в ближней ИК части спектра. Детектор обеспечивает оптимальное соотношение сигнал:шум в в диапазоне 800-1750 нм (полный оптический диапазон прибора 175 - 2000 нм), повышенную скорость сканирования и большее оптическое разрешение, чем базовая модель Cary 500. Основная область применения - полупроводниковая промышленность и системы телекоммуникаций. Прибор совместим с приставками VN, VW, VASRA и интегрирующая ("белая") сфера, системой транспортировки проб, держателем пленок, поляризатором/деполяризатором, компенсатором референсного луча.
Cary Deep UV
Первый в мире двухлучевой прибор для работ в области дальнего ультрафиолета (оптимизирован для работ от 140 до 260 нм). Этот прибор необходим при разработке оптических компонентов и химикатов, используемых в микролитографии (157 нм и ниже). Cary Deep UV позволяет преодолеть вакуумный барьер при измерении кремниевых подложек, фоторезисторов и т.п. Уникальные возможности спектрометра незаменимы при проведении измерений на длинах волн лазеров, применяемых при производстве интегральных схем (248.4, 193.4 и 157.6 нм).
Оптика с покрытием из фторида магния, источник - дейтериевая лампа с окном из MgF, специализированный ФЭУ с окном из MgF, двойная голографическая решетка (1200 линий/мм, угол блеска на 150 нм), приставка VW с покрытием MgF, система транспортировки проб с держателем пленок, набор специализированных программ ADL. Прибор размещается в боксе с инертной атмосферой (продувка азотом, рециркуляция).
Специализированные модели
Система для анализа растворимости таблеток Tablet Dissolution System
Система для проведения теста на растворимость в режиме on-line. Комплекс базируется на спектрометрах Cary-50, 100 или 300 и включает в себя автоматический тестер VanKel. Для подключения спектрометра Cary-50 к тестерам других производителей возможна установка волоконнооптического мультиплексора Cassini фирмы C-Technologies на 12 датчиков или использование системы автоматизации VanKel серии 8000. Возможно подключение двух тестеров к одному спектрофотометру. Продолжительность теста - до 8 дней.
Характерные особенности спектрометров серии Cary
Принцип сканирования Stop-and-Go
Традиционный принцип, применяемый в спектрофотометрах UV-Vis-NIR, основан на непрерывном одновременном вращении чоппера и дифракционной решетки. Это приводит к отрицательным эффектам: появлению волнового сдвига, подавлению интенсивности сигнала, нестабильности работы. Принцип сканирования "Stop-and-Go" (остановка дифракционной решетки на время цикла вращения чоппера), реализованный на приборах Cary, позволяет получать адекватные результаты и не перекалибровывать спектрофотометр при любых скоростях сканирования, вплоть до 3000 нм/мин в УФ-видимой и до 8000 нм/мин в ближней ИК части спектра. Корректные условия снятия спектра гарантируют правильность получаемого аналитического результата.
Центральный компьютерный контроль
Все приборные параметры и режимы работы различных приставок контролируются системой обработки данных на базе персонального компьютера. Программное обеспечение Cary Win обеспечивает исследователя всеми необходимыми возможностями в привычной для него операционной среде.
Программный "спектральный" язык ADL (Application Development Language) помогает пользователю легко настроить прибор для решения специфических аналитических задач и дает возможность контролировать все стадии работы прибора от способа сбора данных до финальных расчетов и формы распечатки результатов. Программы ADL, разработанные пользователями Cary находятся в открытом доступе на сайте компании.
Широкий выбор специализированных программных пакетов (расчет цветности, обработка кинетических данных, количественный расчет состава многокомпонентных смесей и т. п.) позволяет исследователю сконцентрироваться на выполнении эксперимента, не отвлекаясь на второстепенные задачи.
Модульные приставки
Применение модулей позволяет пользователю оптимальным образом конфигурировать прибор для конкретной аналитической задачи. Каждый модуль автономно выполняет определенные функции, такие, как перемещение образца, измерение или установка температуры и т. п. Комбинирование необходимых модулей дает возможность применения приставок, производимых как фирмой Varian, так и другими поставщиками, и снижает суммарную стоимость прибора.
Среди уникальных приставок такие, как 18-позиционный автоматизированный держатель кювет для Cary 50 или унифицированный автосэмплер SPS-5, применяемый не только в сочетании со спектрометрами Cary, но и с атомно-абсорбционн ыми спектрометрами SpectrAA или спектрометрами индуктивно-связанной плазмы Liberty, Vista и Ultramass.
Заключение
Современная аналитическая химия включает богатый арсенал методов и охватывает очень широкое поле деятельности. Среди оптических методов анализа по-прежнему широко применяют рефрактометрию (в основном — для доказательства подлинности различных препаратов), колориметрию (для оценки цветности и прозрачности растворов), реже — спектрополяриметрию, флуориметрию и особенно часто — спектрофотометрию в УВИ области. Фотоколориметрию в последние годы используют реже; она вытесняется спектрофотометрией. Широко применяется ИК спектроскопия, преимущественно — для определения подлинности субстанций и компонентов лекарственных форм. [2] Фотометрические и спектрометрические методы анализа применяются для определения многих (более 50) элементов периодической системы, главным образом металлов. Методами абсорбционной спектрометрии анализируются руды, минералы, объекты окружающей среды, продукты переработки обогатительных и гидрометаллургических предприятий. Эффективно эти методы используется в металлургической, электронной областях промышленности, в медицине, биологии, криминалистике и т.д. Большое значение они имеют в аналитиченском контроле окружающей среды и решении экологических проблем. Значительно расширились области практического применения методов абсорбционной спектроскопии благодаря более широкому использованию инфракрасной области спектра и приборов на базе ЭВМ. Это позволило разработать методы анализа сложных многокомпонентных систем без их химического разделения. Простые, быстрые и точные методы анализа имеют огромное значение для исследования различных реакций, установления состава и исследования различных химических соединений. Успехи химии координационных соединений, достижения микроэлектроники, приборостроения дают все основания ожидать дальнейшего повышения точности и чувствительности этих методов.
Литература
1. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа. М., Химия. 2001, с. 40-81.
2. Ю.Я. Харитонов. Аналитическая химия (аналитика). В 2 кн. кн. 2. Количественный анализ. Физико-химические (инструментальные) методы анализа: Учеб. для вузов. — М: Высш. шк., 2001. — с. 334 – 351.
3. Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы
4. Карякин А.В. Грибовская А. Методы оптической спектроскопии в анализе природных и сточных вод. М., Химия, 1987.
5. Кузяков Ю.Я. Методы спектрального анализа. М., 1990.
Глава 1. Спектрофотометрия
Этот метод, применяемый чаще других и наиболее совершенный среди методов абсорбционного молекулярного анализа, основан на использовании специальных спектральных приборов — спектрофотометров, позволяющих регистрировать световые потоки в широком интервале изменения длин волн от -185 нм до ~1100 нм, т.е. в УФ, видимой и ближней ИК области спектра, и обеспечивающих высокую степень монохроматичности света (-0,2—5 нм), проходящего через анализируемую среду.
В большинстве спектрофотометров, применяемых в аналитической практике, монохроматизация светового потока осуществляется за счет использования диспергирующих (разлагающих свет в спектр) элементов — призм или дифракционных решеток. Разработаны различные конструкции спектрофотометров, работающих как по однолучевой (одноканальной), так и по двухлучевой (двухканальной) схеме.
На рис. 1 показана принципиальная блок-схема, включающая основные узлы, обеспечивающие работу спектрофотометра.
Рис. 1. Принципиальная блок-схема спектрофотометра: 1 – источник излучения; 2 — монохроматор; 3 — кюветное отделение; 4 — приемник излучения (фотоэлементы); 5 – усилитель; 6 – регистратор (отсчетное или записывающее устройство)
Свет от источника излучения 1 попадает в монохроматор 2, в котором он разлагается в спектр. Монохроматизованный световой поток проходит после этого через кюветное отделение 3, в котором устанавливаются кюветы с анализируемым раствором и раствором сравнения («нулевым» раствором). Пройдя через кюветы с растворами, световой поток попадает на фотоэлементы приемника излучения 4, в котором энергия светового потока преобразуется в фототок, усиливаемый в блоке усилителя 5, после чего усиленный электрический сигнал регистрируется в блоке регистратора 6 либо в виде спектральной кривой, либо по показанию отсчитывающего устройства.
В качестве источника излучения в спектрофотометрах используют лампы накаливания при работе в видимой области спектра, в которой они обеспечивают непрерывный световой поток (а не линейчатый, даваемый ртутной лампой), и водородные либо дейтериевые лампы — при работе в УФ диапазоне спектра (-200—350 нм).
Для разложения светового луча в спектр в монохроматоре чаще всего используют призмы или дифракционные решетки. При работе в видимой и в ближней ИК области используют стеклянные призмы, а также стеклянные конденсоры (линзы) и кюветы. При работе в УФ диапазоне 200-400 нм применяют кварцевую оптику (призмы, конденсоры, кюветы), так как стекло поглощает УФ лучи.
При использовании спектрофотометров, работающих по однолучевой схеме, в световой поток в кюветном отделении попеременно вносят кювету с раствором сравнения (нулевым раствором) и кювету с анализируемым раствором. В кюветное отделение спектрофотометров, работающих по двухлучевой схеме, устанавливают одновременно обе кюветы: кювету с нулевым раствором — в канал сравнения, кювету с анализируемым раствором — в измерительный канал.
Обе кюветы — с нулевым и с анализируемым растворами — должны быть совершенно одинаковыми, с равной толщиной поглощающего слоя. При толщине поглощающего слоя l = 1 см допустимое отклонение не должно превышать Dl = ± 0,005 см при температуре (20 ± 1) °С. Обе кюветы, заполненные чистым растворителем, должны иметь одинаковую оптическую плотность при одной и той же длине волны.
Градуировку спектрофотометров по длинам волн (или волновым числам) контролируют по положению максимумов в спектре поглощения стандартов — раствора перхлората гольмия, ртутной, дейтериевой разрядной и водородной разрядной лампы (табл. 1).
Погрешность измерения длин волн на обычных спектрофотометрах составляет ± 2 нм в области 200—800 нм.
Таблица 1. Положение максимумов в спектрах поглощения стандартов (Но — раствор перхлората гольмия, Hg — пары ртутной лампы, D — дейтериевая лампа, Н — водородная лампа)
| l, нм | l, нм | l, нм | l, нм |
| 241,15 Но | 313,16 Hg | 404,66 Hg | 536,3 Но |
| 253,7 Hg | 334,1 5 Hg | 435,83 Hg | 546,07 Hg |
| 287,15 Но | 361,5 Но | 486,0 D | 576,96 Hg |
| 302,25 Hg | 365,48 Hg | 486. 13 Н | 579,07 Hg |
| 656,28 Hg |
Таблица 2. Удельный коэффициент погашения Е стандартного раствора дихромата калия при разных длинах волн l
| l, нм | Е | Допустимые отклонения в значении Е |
| 235 257 313 350 | 124,5 144,5 48,6 107,3 | 122,9—126,2 142,8—146,2 47,0—50,3 105,6—109,0 |
Градуировку спектрофотометров по оптической плотности (или по пропусканию) контролируют по стандарту — сернокислому раствору дихромата калия К2Сr2О7. В табл. 2 приведены значения удельного коэффициента погашения Е для стандартного раствора дихромата калия.
Таблица 3. Молярные коэффициенты погашения е (л • моль-1 × см-1) хромата и нитрата калия в водных растворах (по данным В.М. Пешковой и М.И. Громовой)
| l, нм | e | l, нм |
| ||
| K2CrO4 | KNO3 | K2CrO4 | KNO3 | ||
| 254 | 2570 | 359 | 313 | 193,5 | 5,26 |
| 265 | 3160 | 1,56 | 334 | 985 | 0,45 |
| 280 | 3290 | 3,68 | 366 | 4410 | |
| 289 | 2086 | 5,61 | 405 | 1330 | |
| 297 | 927 | 6,84 | 436 | 310 | |
| 303 | 498 | 6,93 | |||
Разработаны различные приемы спектрофотометрии — прямая (непосредственная), дифференциальная, производная спектрофотометрия, спектрофотометрическое титрование.
Концентрацию определяемого вещества в анализируемом растворе при спектрофотометрических измерениях находят, как и в фотоэлектроколориметрии, с использованием либо основного закона светопоглощения, либо градуировочных графиков.
Спектрофотометрические методы обладают, по сравнению с фотоэлектроколориметрическими, большей точностью и чувствительностью, позволяют проводить анализ многокомпонентных систем без разделения компонентов, определять вещества, не поглощающие в видимой области спектра (но имеющие полосы поглощения в УФ диапазоне). Относительные ошибки спектрофотометрических определений не превышают ±2%.
В отличие от фотоколориметрии и фотоэлектроколориметрии, спектрофотометрия позволяет не только проводить измерение оптической плотности при фиксированной длине волны, но и получать спектры поглощения в широком спектральном диапазоне.
Из всех фотометрических методов спектрофотометрия применяется наиболее широко при анализе самых различных объектов неорганической и органической природы.
Для приготовления стандартного раствора дихромата калия растворяют 57,0—63,0 мг К2Сг2О7, предварительно высушенного при 130 °С до постоянной массы, в 0,005 моль/л серной кислоте в мерной колбе на 1000,0 мл и доводят раствор до метки той же кислотой.
В качестве стандартов при контроле измерения оптической плотности используют также 0,3 моль/л водный раствор нитрата калия и 0,0001 моль/л раствор хромата калия К2Сг2О4 в 0,05 моль/л растворе гидроксида калия КОН, значения молярных коэффициентов которых приведены в табл. 3. [2]
Количественный фотометрический анализ
1.1.1 Условия фотометрического определения
Для получения оптимальных результатов при фотометрических измерениях предварительно проводят фотометрическую реакцию (если это необходимо), подбирают аналитическую длину волны, концентрацию измеряемого раствора, толщину поглощающего слоя, раствор сравнения (нулевой раствор).
1) Выбор аналитической длины волны. Аналитическая длина волны — это длина волны, при которой проводят фотометрические измерения. Для выбора аналитической длины волны вначале получают спектр поглощения раствора определяемого вещества в возможно более широком спектральном диапазоне и измеряют длину волны, соответствующую максимуму самой интенсивной полосы поглощения. При этой длине волны и проводят последующие измерения. Проводить фотометрические измерения на спаде полосы поглощения не рекомендуется.
2) Выбор концентрации измеряемого раствора и толщины поглощающего слоя. Ранее указывалось, что фотометрические измерения целесообразно проводить в интервале изменения оптической плотности А от 0,2 до 0,6, так как при этом систематическая ошибка фотометрических измерений наименьшая. Минимальная систематическая ошибка получается при А = 0,434 (см. далее п. 4 «Чувствительность и погрешности фотометрического анализа»). Исходя из этого, концентрацию раствора с и толщину поглощающего слоя l подбирают так, чтобы значение А = ecl лежало в интервале от 0,2 до 0,6, где e — молярный коэффициент погашения определяемого вещества в данном растворе. Если принять А = 0,434 и l = 1 см, то тогда концентрация с должна быть примерно равна
с = 0,434/e.
При такой концентрации кажущиеся отклонения от основного закона светопоглощения не должны наблюдаться. Поэтому до начала проведения анализа готовят серию эталонных растворов с различной известной концентрацией определяемого вещества и находят пределы изменения концентраций и оптической плотности, в которых выполняется основной закон светопоглощения. Если величина А = 0,434 укладывается в этот интервал, то концентрацию анализируемого раствора подбирают так, чтобы его оптическая плотность была близка к указанной величине.
3) Использование раствора сравнения. Раствор сравнения (нулевой раствор) должен представлять собой либо чистый растворитель, если измеряемый раствор состоит только из растворителя и растворенного определяемого вещества, либо растворитель, содержащий все те же компоненты и в тех же количествах, что и измеряемый раствор, за исключением определяемого вещества.
Все последующие измерения проводят по отношению к раствору сравнения.
Фотометрические измерения лучше проводить сразу же после приготовления растворов (если методика не предусматривает соблюдение других условий) и достаточно быстро, так как при продолжительном нахождении в кюветном отделении кюветы с растворами нагреваются; при этом возможно появление мелких пузырьков воздуха на стенках кюветы, что искажает результаты фотометрических измерений и повышает их ошибку. [2]
Дата: 2019-12-22, просмотров: 290.
