Спектроскопические методы

К спектроскопическим методам анализа относят физические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. Общий характер процессов, вызванных взаимодействием вещества с электромагнитным излучением, зависит от энергии фотонов. Следовательно, для классификации методов анализа весь диапазон энергий электромагнитных квантов целесообразно разделить на области, соответствующие тому или иному физическому процессу.

Спектроскопические методы подразделяют также на атомные и молекулярные.

Спектры используются как для качественного (идентификация веществ), так и для количественного (определение содержания вещества) анализа.

Молекулярная абсорбционная спектроскопия основана на поглощении электромагнитного излучения веществами. В зависимости от энергии поглощаемых фотонов различают абсорбционную спектроскопию в видимой, ультрафиолетовой, инфракрасной, микроволновой, рентгеновской областях.

Спектроскопию в видимой и УФ-областях традиционно называют спектрофотометрией. Спектрофотометрия - метод количественного определения веществ, основанный на поглощении излучения веществом. К спектрофотометрическим методам относится, в частности, колориметрия.

Колориметрия — метод химического анализа, основанный на определении концентрации вещества по интенсивности окраски растворов (более точно — по поглощению света растворами). Определяют интенсивность окраски либо визуально, либо с помощью приборов, например колориметров. Фотоколориметрия — количественное определение концентрации вещества по поглощению света в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра. Поглощение света измеряют на фотоэлектрических колориметрах. Более совершенные приборы — спектрофотометры — отличаются возможностью исследования оптической плотности в широком диапазоне длин волн видимого спектра, а также в ИК и УФ-диапазонах.

В случае растворов поглощение света определенной длины волны зависит от концентрации в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера:

lg(I₀ /I) = ε · C · l ,

где I - интенсивность светового излучения соответствующей длины волны, прошедшего через поглощающий раствор,

I₀ - интенсивность света, падающего на поглощающее вещество,

ε - коэффиициент экстинкции (молярный коэффициент светопоглощения), зависящий от природы поглощающего вещества и длины волны света,

С - молярная концентрация поглощающего вещества,

l - длина оптического пути (длина пути, который луч света проходит через поглощающий раствор).

Величина D=lg(I₀ /I) называется оптической плотностью раствора. Из закона Бугера-Ламберта-Бера следует, что она прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества в растворе. Если построить калибровочный график, то есть зависимость оптической плотности раствора от его концентрации, то по нему можно определить неизвестную концентрацию раствора, измерив его оптическую плотность. Если даже само вещество, концентрацию которого требуется определить, не окрашено, можно ввести в раствор вещество-индикатор, дающее окраску в присутствии определяемого вещества. Так, чтобы определить концентрацию железа (II) в растворе, в него вводят фенантролин, дающий с этим ионом ярко-красную окраску.

Методы атомной спектроскопии основаны на переходах валентных или внутренних электронов из одного состояния в другое. Оптические атомно-спектроскопические методы можно разделить на три группы: атомно-эмиссионные, атомно-абсорбционные и атомно-флуоресцентные. Выбор того или иного метода определяется типом образца, областью применения, требуемыми чувствительностью и точностью.

Метод атомно-эмиссионной спектроскопии (называемый также спектральным анализом) основан на испускании (эмиссии) кванта электромагнитного излучения возбужденными атомами и заключается в изучении спектра паров исследуемого вещества. Возбуждение атомов происходит под действием тепловой энергии. При качественном спектральном анализе устанавливают наличие в спектре характерных линий, присущих конкретному элементу, что свидетельствует о присутствии данного элемента в составе анализируемого соединения. При количественном анализе измеряют интенсивность отдельных линий элементов, которая служит мерой концентрации этих элементов.

Данный метод позволяет обнаружить и в ряде случаев количественно оценить содержание примерно 80 элементов. Основным достоинством метода является высокая избирательность: на одной спектрограмме можно обнаружить до 30 элементов без предварительного разделения. Метод позволяет анализировать как жидкие, так и твердые образцы, проводить локальный анализ без разрушения образца.

Метод атомно-флуоресцентной спектроскопии относится к числу эмиссионных. Возбуждение атомов происходит под действием ультрафиолетового света. Доля возбужденных атомов определяется в первую очередь не температурой атомизатора, а интенсивностью этого источника.

Метод атомно-абсорбционной спектроскопии основан на поглощении (абсорбции) электромагнитного излучения атомами вещества в свободном состоянии, поэтому для атомизации подходят лишь такие источники, энергии которых хватает для распада вещества на атомы, но не для возбуждения атомов. Применим для определения металлов в самых разных объектах. Достоинством метода является малая зависимость результатов от температуры, высокая чувствительность, что связано с участием в поглощении невозбужденных атомов.

В методах рентгеновской спектроскопии используют излучение рентгеновского диапазона, соответствующее изменению энергии внутренних электронов.

К рентгеновским методам спектроскопии электромагнитного излучения относят рентгеноэмиссионный анализ, рентгенофлуоресцентный и рентгеноабсорбционный анализ, а к методам электронной спектроскопии – рентгеновская фотоэлектронная и оже-электронная спектроскопия. Все эти методы применяются как в качественном, так и количественном анализе.

Оже-спектроскопия – область электронной спектроскопии; в основе метода лежат измерения энергии и интенсивностей токов оже-электронов, а также анализ формы линий спектров оже-электронов, эмитированных атомами, молекулами и твердыми телами в результате оже-эффекта.

Оже-процесс можно разделить на две стадии. Первая – ионизация атомов внешним излучением (рентгеновским, быстрыми электронами, ионами) с образованием вакансии на одной из внутренних оболочек. Такое состояние атома неустойчиво, и на второй стадии происходит заполнение вакансии электроном с одного из вышележащих уровней энергии. Выделяющаяся при этом энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения, но может быть передана третьему электрону, который в результате вылетает из атома, т. е. наблюдается оже-эффект.

Оказывается, что, измерив энергию такого электрона, можно определить, какому элементу Периодической системы Д.И. Менделеева соответствуют обстреливаемые электронным пучком атомы. Такая возможность объясняется тем, что энергия оже-электронов не зависит от энергии бомбардирующих электронов, а определяется только электронной структурой атомов, которая хорошо известна. Таким образом, по оже-спектрам можно определить элементный состав приповерхностных слоев твердых тел, получать информацию о межатомных взаимодействиях, осуществлять химический анализ газа.

К радиоспектроскопическим (спинрезонансным) методам анализа, изучающим взаимодействие вещества с излучением в радиочастотном диапазоне, относятся спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Электронный парамагнитный резонанс – явление резонансного поглощения электромагнитного излучения парамагнитными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле. Используется для изучения систем с ненулевым электронным спиновым магнитным моментом (т. е. обладающих одним или несколькими неспаренными электронами): атомов, свободных радикалов в газовой, жидкой и твердой фазах, точечных дефектов в твердых телах, ионов переходных металлов.

В отсутствие постоянного магнитного поля магнитные моменты неспаренных электронов направлены произвольно, состояние системы таких частиц вырождено по энергии. При наложении поля напряженностью H, проекции магнитных моментов на направление поля принимают определенные значения и вырождение снимается (эффект Зеемана), т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов. Расстояние между возникшими подуровнями зависит от напряженности магнитного поля. Если на образец подействовать переменным магнитным полем, направленным перпендикулярно H, то индуцируются переходы между соседними подуровнями, причем переходы с поглощением и испусканием кванта hv равновероятны. Поскольку на нижнем уровне число электронов больше в соответствии с распределением Больцмана, то преимущественно будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля.

Методом ЭПР можно определять концентрацию и идентифицировать парамагнитные частицы в любом агрегатном состоянии, что незаменимо для исследования кинетики и механизма процессов, происходящих с их участием. Спектроскопия ЭПР применяется в радиационной химии, фотохимии, катализе, в изучении процессов окисления и горения, строения и реакционной способности органических свободных радикалов и ион-радикалов, полимерных систем с сопряженными связями.

Ядерный магнитный резонанс - явление резонансного поглощения радиочастотной электромагнитной энергии веществом с ненулевыми магнитными моментами ядер, находящимся во внешнем постоянном магнитном поле. Ненулевым ядерным магнитным моментом обладают ядра ¹Н, ²Н, ¹³С, ¹⁴N, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и др. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магнитном поле, на которое накладывается слабое радиочастотное поле перпендикулярное магнитному полю.

У ядер со значением спина s_яд =1 /2 во внешнем магнитном поле возможны две ориентации вектора ядерного магнитного момента: по направлению поля и против направления поля. Соответственно, имеются два значения квантового числа углового момента ядерного спина: m_s = +1/2 (по направлению поля) и m_s = -1/2 (против направления поля). В отсутствие внешнего магнитного поля энергетические уровни, отвечающие этим квантовым числам, имеют одинаковую энергию (являются вырожденными), но при наложении поля вырождение снимается: состояние с m_s = +1/2 имеет меньшую энергию, а состояние с m_s = -1/2 - большую; разница энергии уровней равна ΔЕ.

При проведении исследований с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса к образцу, находящемуся в сильном однородном магнитном поле, от генератора прикладывается электромагнитное излучение сверхвысокой частоты (СВЧ), энергия которого сравнима с ΔЕ. Изменяя напряженность магнитного поля Н, меняют энергетическое расстояние между уровнями ΔЕ. Когда ΔЕ сравняется с энергией СВЧ-излучения, ядра атомов начнут поглощать энергию и переходить с уровня m_s = +1/2 на уровень m_s = -1/2. Детектор СВЧ-излучения будет фиксировать поглощение излучения (резонансный сигнал).

Спектры ЯМР чаще всего исследуются для ядер атомов водорода (ядерный спин s_яд =1 /2). Величина напряженности магнитного поля, при которой наблюдается резонансный сигнал, зависит от электронного окружения ядра. Электроны атомов и групп, находящиеся вблизи ядра данного атома водорода, экранируют это ядро, в результате чего напряженность магнитного поля у ядра отличается от напряженности приложенного поля. Более того, величина этого сдвига оказалась различной для различных функциональных групп, содержащих атомы водорода, что делает возможным их идентификацию.

Например, в молекуле этилового спирта СН₃СН₂ОН имеется три вида водородных атомов с различным окружением. Это атомы водорода СН₃-группы, атомы водорода СН₂-группы и атом ОН-группы. Соответственно, в ЯМР-спектре наблюдаются три резонансных сигнала при разных величинах напряженности магнитного поля.

Спектроскопия ЯМР относится к неразрушающим методам анализа. ЯМР позволяет вести анализ по 80 магнитным ядрам. Ее данные используют для однозначной идентификации как промежуточных продуктов химических реакций, так и целевых веществ. Помимо структурных данных и количественного анализа, спектроскопия ЯМР позволяет получить информацию о конформационных равновесиях, диффузии атомов и молекул в твердых телах, водородных связях и ассоциации в жидкостях, упорядоченности и распределении звеньев в полимерных цепях, адсорбции веществ, электронной структуре ионных кристаллов, жидких кристаллов и др. В 80-е годы XX века началось бурное внедрение методов спектроскопии и томографии ЯМР в медицину для диагностики сложных заболеваний и при диспансеризации населения.

Масс-спектроскопический метод анализа основан на ионизации атомов и молекул изучаемого вещества и последующем разделении образующихся ионов в пространстве или во времени.

Исследуемое вещество подвергается бомбардировке пучком электронов с энергией 40-80 эВ. Под действиием ускоренных электронов происходит разрыв химических связей в молекулах этого вещества, и они распадаются на ряд заряженных фрагментов. Образующиеся положительные ионы ускоряются и через впускное отверстие попадают в круговую камеру с магнитным полем, где под влиянием этого поля движутся по круговому пути. Затем они через выходное отверстие попадают в детектор. Чем меньше масса m и больше заряд e фрагмента молекулы, тем больше он отклоняется в магнитном поле. В результате получают масс-спектр фрагментов молекулы изучаемого вещества в виде зависимости интенсивности сигнала от отношения m/e. Путем сопоставления экспериментально полученного масс-спектра анализируемого вещества со стандартными масс-спектрами из атласов, можно достоверно идентифицировать соединение.

Масс-спектрометрия до настоящего времени является одним из основных методом получения информации о массах ядер и атомов и оценки распространенности изотопов в природе.