Молекулярная фотометрия и спектрофотометрия

     В случае измерения поглощения растворами необходимо исключить также поглощение, обусловленное растворителем. Для  этой цели обычно используют две тождественные  кюветы. Одну из них заполняют раствором, а другую – растворителем. Если отсутствует  взаимодействие между исследуемым  веществом и растворителем и если оптические параметры обеих кювет одинаковы, то измеренное отношение: для исследуемого растворенного вещества ( здесь - показатель поглощения растворителя, а - показатель поглощения исследуемого вещества).

     В аналитической литературе также  пользуются написанием Бугера-Ламберта-Бера в логарифмическом виде:

     

     Если  вместо натуральных логарифмов использовать десятичные логарифмы, то

     

 или 

где называют десятичным показателем поглощения на единицу концентрации С вещества. Эту величину называют также коэффициентом погашения или экстинкцией. Величины и связаны соотношениями и . Отношение светового потока, прошедшего через тело, к потоку, упавшему на тело , называют коэффициентом пропускания и обозначают буквой Т. Величину отношения потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него , называют коэффициентом поглощения. Обратный логарифм коэффициента пропускания называют оптической плотностью .

     Оптическая  плотность раствора, содержащего  несколько окрашенных веществ, обладает свойством аддитивности, которое  иногда называют законом аддитивности светопоглощения. В соответствии с  этим законом поглощение света каким-либо веществом не зависит от присутствия  в растворе других веществ. При наличии  в растворе нескольких окрашенных веществ  каждое из них будет давать свой аддитивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность:

     

где - оптическая плотность вещества 1,2, n

     Концентрацию  вещества С выражают в различных единицах. Для газов (и растворов) ее можно выражать числом молекул в 1 см³. Соответствующий этому случаю показатель поглощения называют молекулярным и относят к одной молекуле. Концентрацию растворенного вещества выражают также числом С грамм-молей в 1 литре раствора. В этом случае показатель поглощения принято обозначать буквой и называть молярным показателем поглощения. Численное соотношение между обоими коэффициентами можно получить из соотношения

     

Ограничения и условия применимости закона Бугера-Ламберта-Бера

     Зависимость оптической плотности от концентрации графически выражается прямой линией, выходящей из начала координат. Опыт показывает, что линейная зависимость  выполняется не всегда. При практическом применении закона Бугера-Ламберта-Бера необходимо учитывать следующие  ограничения:

1. Закон справедлив для монохроматического света.
2. Коэффициент зависит от показателя преломления среды. Если концентрация раствора сравнительно невелика, его показатель преломления остается практически таким же, каким он был у чистого растворителя, и отклонений от закона по этой причине не наблюдается.
3. Температура при измерениях должна оставаться постоянной хотя бы в пределах нескольких градусов.
4. Пучок света должен быть параллельным.
5. Закон соблюдается только для систем, в которых светопоглощающими центрами являются частицы одного сорта.

 

 

Молекулярный  спектральный анализ

     Молекулярный  спектральный анализ предполагает качественное и количественное определение молекулярного  состава пробы по молекулярным спектрам поглощения и испускания. Эти методы применяются  для промышленного  контроля молекулярного состава  проб, например, при производстве красителей, бензинов и т.д. Молекулярные спектры очень сложны, так как возможны различные электронные переходы в молекулах (электронные спектры), колебательные переходы с изменением колебательных состояний ядер атомов, входящих в состав молекулы (колебательный спектр), и изменения вращательных состояний молекулы (вращательный спектр). Эти спектры расположены в различных областях длин волн.

     При проведении абсорбционного анализа  по спектрам поглощения проба берется  в газообразном, жидком или твердом  состоянии, помещается между источником сплошного спектра (лампа накаливания  для видимой области спектра, водородная или криптоновая лампа  для ультрафиолетовой области, раскаленный  штифт для инфракрасной области) и спектральным прибором. Спектр поглощения анализируется при помощи спектрометра или спектрофотометра.

 

 

Применение

     Спектроскопия считается прикладной наукой и отличается большой информативностью. В молекулярной спектроскопии можно выделит  следующие основные направления ее применения в науке и технике.

1. Идентификация веществ. Она основана на том, что каждое соединение, включая изомеры, имеет свой собственный и только ему присущий спектр. Это свойство используется для качественного анализа тех веществ, спектры которых уже известны.
2. Количественный анализ. Измерение интенсивности молекулярных спектров позволяет проводить с очень высокой чувствительностью количественный анализ различных веществ, не разрушая их.
3. Структурно-групповой (функциональный) анализ. Систематическое изучение спектров веществ с одинаковыми структурными группами показало, что в их спектрах имеются характерные полосы, с помощью которых можно решать обратную задачу – по характеристичным полосам определять в исследуемом соединении наличие той или иной структурной группы.
4. Определение строения молекул и вещества, т.е. пространственного расположения ядер и расстояний между ними.
5. Определение различных тепловых эффектов (напр., теплот испарения) по изменению интенсивности спектров в зависимости от температуры вещества.
6. Исследования межмолекулярного взаимодействия.

 

 

Принципиальная  схема спектрометра

     Фотометрическое измерение заключается в оценке различий в интенсивности двух потоков  излучения: падающего на исследуемый  объект и прошедшего через него на определенной длине волны. Приборы, на которых производят такие измерения, классифицируют по следующим основным принципам:

1. По спектральным областям, в которых они работают
2. По способу монохроматизации потока излучений:

• С высокой степенью монохроматизации (призменные и дифракционные монохроматоры)
• С низкой степенью монохроматизации (светофильтры)

3. По способу регистрации интенсивности излучения:

• Визуальные (спектроскопы)
• Фотографические (спектрографы)
• Фотоэлектрические (фотометры, спектрометры, спектрофотометры)

     Спектральные  приборы, основанные на фотоэлектрическом  принципе регистрации спектров, называются спектрометрами (спектрофотометрами). Они получили широкое распространение. Спектрометр состоит из следующих основных узлов: источника излучения, монохроматора 1, кюветного отделения 2, анализатора 3, приемника излучения 4, усилителя 5, регистрирующего устройства 6.

Рис.1. Принципиальная схема спектрофотометра

     Для УФ-области спектра в качестве источников излучения используются водородные или более мощные дейтериевые лампы, дающие спектр излучения в области 180-400 нм. Обычным источником видимого излучения от 360 нм до ближней ИК-области является лампа накаливания с вольфрамовой нитью.

     В спектрофотометрах применяются  как призменные, так и дифракционные  монохроматоры. Для уменьшения рассеянного  излучения используются двойные  монохроматоры либо дополнительные светофильтры.

     В качестве приемников в УФ- и видимой областях используют вакуумные фотоэлементы, а также твердотельные фотоэлементы. Для УФ-области (150-400 нм) приемником служит фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, в видимой и ближней ИК-областях (до 1200 нм) применяют элементы с кислородно-цезиевым фотокатодом.

     При использовании такого типа приборов построение спектра поглощения по точкам требует большого числа измерений. Кроме того, однолучевые приборы  не пригодны для измерения очень  малых изменений поглощения. Эти  недостатки были устранены в более  совершенных двулучевых схемах, которые  предусматривают два равноценных  пути прохождения излучения от одного и того же источника света. Один проходит через исследуемый образец, другой – через кюветы, содержащую раствор сравнения. Оба потока измеряют по отдельности или с помощью двух приемников излучения, или на одном приемнике с модулятором.

Рис.2. Принципиальная схема двулучевого спектрофотометра

     После монохроматора с помощью системы  расщепления луч света делится  пополам, а затем через модулятор  попадает на образец и эталон. На фотоприемник поочередно направляются лучи, проходящие через образец и эталон. При этом чаще всего используется дифференциальный метод регистрации поглощения или пропускания исследуемого образца относительно эталона. Изменяя длину волны света с помощью монохроматора, получают спектр поглощения исследуемого образца.

 

 

Библиографический список

1. Бабушкин  А.А., Бажулин П.А., Королев Ф.А и др. Методы спектрального анализа (под ред. Левшина В.Л.). М.: Издательство Московского университета, 1962
2. Бахшиев Н.Г. Введение в молекулярную спектроскопию. Ленинград: Издательство Ленинградского университета, 1987
3. Левшин Л.В., Салецкий А.М. Оптические методы исследования молекулярных систем. Молекулярная спектроскопия. М.: Издательство Московского университета, 1994
4. Мальцев А.А. Молекулярная спектроскопия. М.: Издательство Московского университета, 1980
5. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Издательство «Наука», 1972