Чувствительность метода низкая. Нижний предел определения для разных веществ находится в диапазоне от 0,1 до 10%, что связано с низкими значениями молярного коэффициента поглощения ИК излучения для большинства веществ.
Точность метода низкая, а селективность высокая.
Достоинства метода:
– высокая селективность;
– широкие возможности идентификации известных веществ и установления молекулярной структуры веществ неизвестного строения, особенно в сочетании с другими современными спектральными методами (масс-спектрометрией, ЯМР спектроскопией и др.).
Недостатки метода:
– низкая чувствительность и точность количественного анализа;
– сложность выполнения и необходимость использования квалифицированного персонала;
– сложность и высокая стоимость самого оборудования и его технического обслуживания.
47.Люминесцентный анализ. Природа люм. свечения, способы его возбужд. Осн. закономерности люминисцентного излучения Люминесцентный анализ – это совокупность методов молекулярной эмиссионной спектроскопии, основанных на явлении люминесценции. При проведении этого анализа регистрируется либо собственное свечение исследуемого объекта, либо свечение специальных реагентов - люминофоров, которым обрабатывают объект.
Люминесценция – свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения, представляющее собой избыток над тепловым излучением, испускаемым веществом при данной температуре за счет его внутренней (тепловой) энергии, и продолжающееся в течение времени, превышающего период колебаний световой волны.
Энергия, поглощаемая при возбуждении люминесценции, может иметь разную природу и происхождение. По виду энергии возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение за счет поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона), радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией; к ней, в частности, относятся рентгено-, катодо-, ионо- и a-люминесценция), электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем), хемилюминесценцию (возбуждение при протекании химических реакций). Для аналитических целей наиболее часто используется явление фотолюминесценции.
Как показано на рис., на котором схематически изображены энергетические электронные уровни гипотетической молекулы (диаграмма Яблонского), при фотовозбуждении молекула вещества, поглотив квант света, переходит из основного состояния S 0 в возбужденное синглетное электронное состояние S 1, S 2 … или возбужденное триплетное состояние Т 1, Т 2 … При этом для осуществления каждого перехода необходимо определенная величина энергии.
В синглетном состоянии электроны, образующие химическую связь, имеют антипараллельные спины, в триплетном − параллельные. Как в основном, так и в возбужденных электронных состояниях молекула имеет ряд колебательных подуровней. При комнатной температуре большинство молекул находится в основном колебательном состоянии, из которого и происходит переход в возбужденное состояние. Однако невозбужденный электрон, находящийся на основном уровне в синглетном состоянии, перейти непосредственно в возбужденное триплетное состояние не может. Такие переходы запрещены и практически не наблюдаются.
В зависимости от характера электронного состояния, из которого молекулы переходят в основное состояние с испусканием электромагнитного излучения, фотолюминесценцию подразделяют на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция наблюдается при переходах между состояниями, имеющими одинаковую мультиплетность, чаще всего между синглетными первым возбужденным и основным S 1– S 0. Среднее время жизни молекулы в возбужденном синглетном состоянии небольшое, спонтанный переход молекул в основное синглетное состояние, сопровождающийся испусканием электромагнитного излучения, протекает быстро и после прекращения облучения, приводящего к электронному возбуждению молекул, их собственное свечение прекращается через 10–9–10–4 с. При этом спектр флуоресценции сдвигается в длинноволновую область на величину, пропорциональную энергии колебательной релаксации триплетного состояния.
Переходы между электронными состояниями различной мультиплетности, обычно между нижним возбужденным триплетным и основным синглетным Т 1– S 0, приводит к явлению фосфоресценции. Благодаря большому естественному времени жизни триплетного состояния и очень небольшой вероятности такого перехода скорость затухания фосфоресценции низкая, а длительность фосфоресцентного свечения может составлять минуты и даже часы.
В конденсированных системах для возбуждения молекул процесс внутренней конверсии (безызлучательные переходы) протекает с большой вероятностью. Вследствие этого часть поглощенной энергии теряется и излучательный переход с появлением флуоресцентного свечения происходит с самого нижнего возбужденного уровня данной мультиплетности. В этом случае Е изл< Е погл, так как часть поглощенной энергии теряется в виде тепла. Такое свечение называется спонтанной люминесценцией и стоксовой, поскольку соответствует правилу Стокса: люминесцентное свечение находится в более длинноволновой части спектра, чем поглощенный свет.
Однако в некоторых случаях между Е изл и Е погл и λизл и λпогл наблюдается такая зависимость: Е изл> Е погл, λизл< λпогл.
Поэтому в общем виде взаимоотношение между этими величинами формулируется в форме закона Стокса – Ломмеля
Спектр флуоресценции в целом и его максимум смещен по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в область более длинных волн.
1 – спектр поглощения электромагнитного излучения люминесцирующим веществом; 2 – спектр флуоресценции этого вещества
Перекрывание спектров поглощения и флуоресценции обусловлено тем, что даже при комнатной температуре в некоторой степени заселены возбужденные колебательные подуровни основного электронного состояния. Следовательно, возможны переходы с любого из них на основной колебательный подуровень состояния S 1 и благодаря этому часть испускаемого излучения будет иметь более короткие длины волн, чем самое длинноволновое поглощаемое излучение, вызывающее свечение вещества. Эта часть спектра люминесценции называется антистоксовой областью.
При использовании флуоресцентного свечения вещества для его количественного определения важное значение имеет выход люминесценции и связанная с ним интенсивность флуоресцентного излучения I фл.Различают энергетический выход флуоресценции В эн, равный отношению излучаемой энергии Е фл к поглощенной Е погл, и квантовый выход В кв, равный отношению числа квантов флуоресценции N фл к числу квантов поглощенной энергии N погл.
Выход флуоресценции и интенсивность флуоресцентного излучения зависят от ряда факторов. При возбуждении флуоресценции монохроматическим светом выход зависит от длины волны возбуждающего света и подчиняется закону С. И. Вавилова: постоянный квантовый выход люминесценции сохраняется, если возбуждающее монохроматическое излучение преобразуется в среднем в более длинноволновое; при обратном превращении длинных волн в более короткие (в антистоксовой области) выход флуоресценции резко уменьшается (рис)
При проведении количественного определения флуоресцирующего вещества особый интерес представляет зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации. Характерный вид такой зависимости представлен на рис. В области малых концентраций между I фл и концентрацией C действует прямая пропорциональность: I фл = kС.
Именно эту область и следует использовать для количественного анализа. Она охватывает область концентраций от 10–7–10–4 моль/дм3. С повышением концентрации интенсивность флуоресценции становится почти постоянной, а затем резко падает. Это уменьшение интенсивности флуоресценции с увеличением концентрации называется концентрационным гашением флуоресценции.
Интенсивность флуоресценции сильно зависит от температуры. Чаще всего повышение температуры приводит к снижению интенсивности флуоресценции Однако в некоторых случаях с повышением температуры интенсивность флуоресценции также растет, что связано с образованием модификаций молекул, способных флуоресцировать более интенсивно.
Общей закономерности зависимости интенсивности флуоресценции от рН раствора нет. Для некоторых флуоресцирующих веществ интенсивность свечения с ростом рН увеличивается (кривая 1), для других – падает (кривая 2), некоторые вещества флуоресцируют только в определенном интервале значений рН (кривая 3). Такие вещества называются флуоресцентными индикаторами. При изменении рН среды у многих флуоресцентных индикаторов изменяется и спектральная характеристика, т. е. цвет излучения.
При проведении количественного флуоресцентного анализа особое внимание следует обращать на чистоту анализируемого вещества и используемых реагентов, поскольку на интенсивность флуоресценции существенное влияние может оказывать т. н. примесное гашение, вызываемое присутствием в растворе посторонних веществ. Например, бисульфат натрия, KМnO4 и некоторые другие вещества способны гасить флуоресценцию, хотя некоторые вещества, наоборот, вызывают ее усиление.
Если спектры поглощения анализируемого вещества и примеси находятся в одной спектральной области, происходит сильное гашение флуоресценции – небольшие добавки такого гасителя резко снижают интенсивность свечения (а, б). Если спектры анализируемого вещества и гасителя отличаются сильно, обмен энергией между ними происходит менее интенсивно и влияние такого гасителя на интенсивность флуоресценции значительно меньше (б, г).