Koulujen tietosanakirja. Spektrianalyysi Mihin spektrianalyysi perustuu?

Oikeutettu spektrianalyysi ymmärrämme aineen kemiallisen koostumuksen fysikaalisen analyysimenetelmän, joka perustuu atomien tai molekyylien emissio- ja absorptiospektrien tutkimukseen. Nämä spektrit määräytyvät atomien ja molekyylien elektronisten kuorien ominaisuuksista, molekyyleissä olevien atomiytimien värähtelyistä ja molekyylien pyörimisestä sekä atomiytimien massan ja rakenteen vaikutuksesta energiatasojen sijaintiin; lisäksi ne riippuvat atomien ja molekyylien vuorovaikutuksesta ympäristön kanssa. Tämän mukaisesti spektrianalyysissä käytetään laajaa valikoimaa aallonpituuksia - röntgensäteistä mikroradioaaltoihin. Spektrianalyysi ei sisällä massaspektroskooppisia analyysimenetelmiä, koska ne eivät liity sähkömagneettisten värähtelyjen käyttöön.
Tehtävä rajoittuu optisten spektrien rajoihin. Tämä alue on kuitenkin melko laaja, se kattaa spektrin ultraviolettisäteilyn tyhjiöalueen, ultravioletti-, näkyvän ja infrapuna-alueen. Käytännössä nykyaikainen spektrianalyysi käyttää säteilyä, jonka aallonpituus on noin 0,15 - 40-50?.
Spektrianalyysin eri tyyppejä tulisi tarkastella kolmesta näkökulmasta.
1. Ratkaistavien tehtävien mukaan:

1. alkuaine, kun elementit määräävät näytteen koostumuksen;
2. isotooppi, kun näytteen isotooppikoostumus määritetään;
3. molekyyli, kun näytteen molekyylikoostumus on määritetty;
4. rakenteellinen, kun kaikki on asennettu; tai molekyyliyhdisteen perusrakenneosat.

2. Käytettyjen menetelmien mukaan:

1. päästö, käyttämällä pääasiassa atomien säteilyspektrejä. Molekyylikoostumuksen emissioanalyysi on kuitenkin myös mahdollista esimerkiksi liekkien ja kaasupurkausten radikaalien koostumuksen määrittämisessä. Emissioanalyysin erikoistapaus on luminesenssianalyysi;
2. imeytyminen, käytetään pääasiassa molekyylien ja niiden rakenneosien absorptiospektrejä; atomiabsorptiospektriin perustuva analyysi on mahdollista;
3. yhdistelmä, käyttämällä kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten näytteiden Raman-spektrejä, jotka on viritetty monokromaattisella säteilyllä, yleensä elohopealampun yksittäisten viivojen valolla;
4. luminesoiva, käytetään pääasiassa ultraviolettisäteilyllä tai katodisäteillä virittyneen aineen luminesenssispektrejä;
5. röntgen, käyttämällä a) atomien röntgensädespektrejä, jotka on saatu atomien sisäisten elektronien siirtymien aikana, b) röntgensäteiden diffraktiota niiden kulkiessa tutkittavan kohteen läpi aineen rakenteen tutkimiseen;
6. radiospektroskooppinen, käyttämällä spektrin mikroaaltoalueella olevien molekyylien absorptiospektrejä, joiden aallonpituudet ovat suurempia kuin 1 mm.

3. Saatujen tulosten luonteen mukaan:
1) laadullinen, kun analyysin tuloksena koostumus määritetään ilmoittamatta komponenttien määrällistä suhdetta tai annetaan arvio - paljon, vähän, hyvin vähän, jälkiä;
2) puolikvantitiivinen, joko karkeasti määrällisesti tai likimääräisesti. Tässä tapauksessa tulos annetaan arviona komponenttien pitoisuuksista joillakin enemmän tai vähemmän kapeilla pitoisuuksilla riippuen käytetystä likimääräisen kvantitatiivisen arvioinnin menetelmästä. Nopeutensa ansiosta tämä menetelmä on löytänyt laajan sovelluksen sellaisten ongelmien ratkaisemisessa, jotka eivät vaadi tarkkaa kvantitatiivista määritystä, esim.
metallien lajittelu, kun arvioidaan geologisten näytteiden sisältöä mineraaleja etsittäessä;
3) määrällinen, joka antaa tarkan kvantitatiivisen sisällön näytteestä määritettäville alkuaineille tai yhdisteille.
Kaikki nämä analyysityypit, laadullisia lukuun ottamatta, käyttävät yksinkertaistettuja tai tarkkoja fotometristen spektrien menetelmiä.

Seuraavat menetelmät eroavat spektrien tallennusmenetelmästä:
1.Visuaalinen tarkasteltaessa spektrejä näkyvällä alueella yksinkertaisilla tai erikoistuneilla spektroskopeilla (steeloskooppi, stylometri). Ultraviolettialueella on mahdollista tarkkailla suhteellisen kirkkaita spektrejä käyttämällä fluoresoivia näyttöjä, jotka on sijoitettu valokuvalevyn sijasta kvartsispektrografeihin. Elektronioptisten muuntimien käyttö mahdollistaa spektrien visuaalisen havainnoinnin ultravioletti- ja lähi-infrapuna-alueilla (12000A asti).
2.valokuvaus, käyttämällä valokuvalevyä tai -filmiä spektrien tallentamiseen myöhempää käsittelyä varten.
3.Aurinkosähkö ultravioletti-, näkyvä- ja lähi-infrapuna-alueille käyttämällä erilaisia ​​valokennoja"
valomonistimet ja valovastukset (infrapuna-alue). Valosähköisiä menetelmiä kutsutaan joskus suoriksi analyysimenetelmiksi,
eli analyysi ilman valokuvalevyn apua.
4.Lämpösähköinen infrapuna-alueelle, mukaan lukien kaukana, käyttämällä lämpöelementtejä, bolometrejä ja muun tyyppisiä lämpösähköisiä vastaanottimia.
Edellä käsitellyillä spektrianalyysityypeillä on useita yhteisiä piirteitä, koska ne kaikki käyttävät atomien tai molekyylien spektrejä analyysivälineinä. Itse asiassa kaikissa tapauksissa on ensinnäkin hankittava näytteen spektri ja sitten tulkittava tämä spektri spektritaulukoiden tai -kartastojen avulla, eli löydettävä tästä spektristä juovia tai vyöhykkeitä, jotka ovat ominaisia ​​atomeille, molekyyleille tai rakenneelementeille. molekyylejä määritetään. Tämä on laadullisen analyysin raja. Kvantitatiivisen pitoisuusarvon saamiseksi on lisäksi tarpeen määrittää näiden tunnusomaisten viivojen tai vyöhykkeiden intensiteetti (spektri fotometrillä) ja sitten määrittää pitoisuusarvo käyttämällä pitoisuuden ja viivojen tai juovien intensiteetin välistä suhdetta. Tämä riippuvuus "pitäisi saada joko teoreettisten näkökohtien perusteella tai empiirisesti analyyttisen käyrän muodossa, joka on muodostettu näytejoukon perusteella tietyillä pitoisuuksilla (standardeilla).

1.2.2 ELEMENTI- JA ISOTOOPPINEN SPEKTRAALIANALYYSI

Alkuaine- ja isotooppispektrianalyysi sisältää näytteen alkuaine- ja isotooppikoostumuksen kvalitatiivisen ja kvantitatiivisen määrityksen käyttämällä emissiospektrejä, jotka vaihtelevat lähi-infrapunasta röntgenalueeseen. Joskus näihin tarkoituksiin käytetään molekyyliemissio- tai absorptiospektrejä. Esimerkkinä voidaan mainita vedyn, typen ja hapen määritys kaasuseoksissa, joka voidaan suorittaa käyttämällä kaksiatomisten molekyylien Hr, N2, O2 molekyylispektrejä. Samalla tavalla on edullista suorittaa jaksollisen järjestelmän keskiosan alkuaineiden isotooppinen analyysi elektronivärähtelymolekyylispektreillä, joissa isotooppisiirtymä on riittävän suuri ja havainnoitavissa tavanomaisilla suuren dispersion spektriinstrumenteilla.
Ratkaistaessa hiilimonoksidipitoisuuden määrittämisongelmaa on kuitenkin otettava huomioon molekyylispektrianalyysin menetelmät.

1.2.3 MOLEKULAARINEN SPEKTRAALIANALYYSI

Molekyylispektrianalyysi sisältää näytteen molekyylikoostumuksen kvalitatiivisen ja kvantitatiivisen määrittämisen käyttämällä molekyyliabsorptio- ja emissiospektrejä. Näitä menetelmiä käytetään näytteiden molekyylikoostumuksen teolliseen valvontaan, esimerkiksi vitamiinien, väriaineiden, bensiinin jne. valmistuksessa.
Molekyylispektrit ovat erittäin monimutkaisia, koska erilaiset elektroniset siirtymät molekyyleissä (elektroniset spektrit), värähtelysiirtymät, joissa molekyylin muodostavien atomien ytimien värähtelytilat muuttuvat (värähtelyspektri) ja muutokset molekyylin pyörimistiloissa ( kiertospektri) ovat mahdollisia. Nämä spektrit sijaitsevat eri aallonpituuksilla (taajuus) alueilla. Elektroniset spektrit, jotka monimutkaistavat värähtely- ja pyörimisrakenteella, edustavat ominaisten vyöhykkeiden järjestelmää (joskus tällaista spektriä kutsutaan viivaraitaspektriksi), jotka vaihtelevat tyhjiöultravioletista (~1000A) lähi-infrapuna-alueeseen (~12000A) ). Värähtelyspektrit, joihin liittyy rotaatiorakenne, sijaitsevat spektrin lähi-infrapuna-osassa 1,2 - 40 (8 - 103 - 250 cm~1). Pyörimisspektrit sijaitsevat spektrin kaukaisemmassa infrapunaosassa ja niiden mittaus optisilla (lämpösähköisillä) välineillä on mahdollista ~1,5 asti mm(eli 250 - 6 cm~1). Rotaatiospektrit ulottuvat radiospektroskopialla tutkitulle mikroaaltoalueelle.
Molekyylispektrianalyysissä käytettävien teknisten keinojen mukaisesti erotetaan seuraavat molekyylianalyysityypit.

Absorptioanalyysi absorptiospektreillä
Tämän tyyppisessä analyysissä näyte otetaan kaasumaisessa, nestemäisessä tai kiinteässä tilassa ja sijoitetaan jatkuvan spektrin lähteen väliin (hehkulamppu spektrin näkyvälle alueelle, vety- tai kryptonlamppu ultraviolettialueelle, kuuma tappi infrapuna-alueelle) ja spektriinstrumentti. Absorptiospektri analysoidaan käyttämällä spektrometriä (spektrografia) tai spektrofotometriä.
Absorptiospektrin ja käytettyjen spektrialueiden kirjaamismenetelmien mukaisesti erotetaan seuraavatimenetelmät.
Visuaalinen, kun absorptiospektrin tarkkailu kvalitatiivisen analyysin aikana suoritetaan näkyvällä alueella käyttäen yksinkertaisimpia suoranäköspektroskooppeja, joissa on koeputkia tai pieniä kyvettejä liuoksille, jotka on sijoitettu suoraan raon eteen. Testiaineen läpi kulkevan valon lähteenä käytetään hehkulamppua tai päivänvaloa. Kvantitatiivista analyysiä varten suoritetaan tarkka mittaus tietyn aallonpituuden omaavien valonsäteiden vaimenemisesta niiden kulkiessa testiaineen läpi. Tämä ongelma ratkaistaan ​​visuaalisella spektrofotometrialla käyttämällä polarisaatiolla varustettuja spektrofotometrejä tai muun tyyppisiä fotometrisiä laitteita. Testiaineen läpi kulkevien ultraviolettisäteiden vaikutuksesta hehkuvien fluoresoivien näyttöjen käyttö mahdollistaa visuaalisen analyysin ultraviolettialueella. Hyvin heikkojen lähteiden, erityisesti fluoresoivien näyttöjen, hehkun intensiteetin visuaaliseen määrittämiseen käytetään joskus visuaalisen aistimuksen kynnysmenetelmää. Siirtämällä tarkkailijan silmän eteen sijoitettua neutraalia optista kiilaa hehkun kirkkaus heikkenee silmän herkkyyskynnykseen, eli hehkun katoamiseen. Kiilan kaksi asentoa on kiinnitetty: ensimmäinen, joka vastaa näytön fluoresenssin kirkkauden heikkenemistä kynnykseen, kun vaimentamaton valonsäde putoaa siihen, toinen - kun sama säde, mutta heikentynyt kulkiessaan ainekerroksen läpi tutkittavana, putoaa ruudulle. Näiden kiila-asemien välinen ero kerrottuna kiilavakiolla antaa lääkekerroksen optisen tiheyden arvon.
Valokuvausspektrofotometria käytetty suhteellisen harvoin. Liuoksen tai höyryn absorptiospektri näkyvällä tai ultraviolettialueella valokuvataan spektrografilla. Fotometriaa varten spektrit saadaan joko erityisillä laitteilla (valonsäteen jakajilla), jotka antavat lähdespektrit peräkkäin levylle tietyllä näytteen vaimennuksen ja absorption kanssa, tai käytetään valokuvausfotometriaa.
Valosähköinen spektrofotometria on tällä hetkellä tärkein tutkimus- ja teollisuuslaboratorioissa käytettävä absorptiomolekyylianalyysi. Spektrilaitteessa (monokromaattori) valosähköisen säteilyn ilmaisin sijaitsee ulostuloraon takana. Näytteen sisältävä kyvetti asetetaan sisääntuloraon eteen. Valo jatkuvasta spektrilähteestä ilman näytettä ja valo, joka on läpäissyt näytteen, osuvat peräkkäin vastaanottimeen. Valovirtaa tehostetaan ja näytteen optinen tiheys voidaan lukea mittalaitteesta (ei-tallentavista spektrofotometrit). Tallentavat spektrofotometrit tallentavat automaattisesti läpäisy- tai absorbanssikäyrän. On huomattava, että moniin teknisen analyysin tarkoituksiin samantyyppisten näytteiden massakontrollissa on mahdollista käyttää yksinkertaistettuja spektrofotometrejä, joissa spektrialue eristetään häiriösuodattimilla tai polttomonokromaattorilla.
Valosähköisen spektrofotometrian avulla voit ratkaista väriaineiden, vitamiinien ja muiden materiaalien tuotannon jatkuvan automaattisen hallinnan ongelman teknologisen prosessin aikana. Tätä tarkoitusta varten teknologiaprosessin ennalta valitussa vaiheessa suoritetaan spektrofotometria käyttämällä valosähköisiä spektrofotometrejä, joiden lukemat voidaan välittää laitoksen ohjauskeskukseen teknologisen prosessin säätämistä varten. Spektrofotometrin lukemat voidaan liittää automaattiseen prosessinohjausjärjestelmään.
Spektrofotometria spektrin infrapuna-alueella(1 - 40-50 mikronia). Analyysi suoritetaan käyttämällä värähtely-kiertospektrejä, jotka monien ongelmien ratkaisemisessa ovat tyypillisempiä kuin elektroniset spektrit näkyvällä ja ultraviolettialueella, mikä määrää tämän tyyppisen molekyylispektrianalyysin laajan käytön. Teknisiä keinoja ovat tallennusspektrometrit ja spektrofotometrit. Analyysin suorittamiseksi on tarpeen tietää määritettävän yhdisteen spektri; Tämä on kuitenkin infrapuna-alueen analyysin erityinen vaikeus, koska molekyyliyhdisteille, joita on valtava määrä, kattavien spektritaulukoiden laatiminen on käytännössä mahdotonta. Molekyylispektrianalyysin kehittämiseksi on parhaillaan käynnissä säännöllinen työ eri kemiallisten yhdisteiden infrapuna-absorptiospektrien tiedon keräämiseksi ja systematisoimiseksi.
Emission molekyylispektrianalyysi
Kahta analyysityyppiä käytetään laajalti: Raman ja luminesenssi.
Analyysi Raman-spektreillä(yhdistelmä). Tutkittava aine nestemäisessä tai liuoksessa asetetaan erityiseen lasikyvettiin ja valaistaan ​​vahvojen elohopealamppujen valolla. Aineessa syntyvä Raman-hehku analysoidaan suuren aukon spektriinstrumentilla.
Raman-spektri havaitaan yleensä elohopean spektrin sinisestä (4358A), joskus vihreästä (5461A) ja harvoin keltaisista viivoista (5770/5790A). Vihreitä ja keltaisia ​​viivoja käytetään pääasiassa valoa voimakkaasti sirottavien näytteiden (sameat nesteet, kiinteät jauheet) analysointiin.
Raman-linjojen sijainti suhteessa jännittävään elohopeaviivaan, niiden intensiteetti, puolileveys ja polarisaatioaste kuvaavat tietyn molekyylin Raman-spektriä. Tällaisten spektrien avulla on mahdollista suorittaa molekyyliyhdisteiden kvalitatiivisia ja kvantitatiivisia analyysejä, jos niiden Raman-spektrit tunnetaan aiemmin tehdyistä kokeista. Kemiallisten yhdisteiden suuresta määrästä johtuen niiden spektritaulukot eivät voi olla tyhjentäviä ja niitä on jatkuvasti päivitettävä.
Raman-viivojen alhaisen intensiteetin vuoksi niiden saamiseksi käytetään suuren aukon spektrografeja. Kuitenkin myös tässä tapauksessa tarvitaan pitkiä valotuksia riittävän kirkkaiden spektrien saamiseksi. Viime aikoina on alkanut kehittyä valosähköisiä tekniikoita Raman-spektrien tallentamiseen. Tässä tapauksessa säteily vastaanotetaan suuren aukon monokromaattorilla, jonka lähtöraon takana on valomonistin; Valovirta vahvistuksen jälkeen tallennetaan tallentimella. Tallennuksen aikana spektri liikkuu monokromaattorin lähtörakoa pitkin dispergointijärjestelmän kiertoa käyttäen (spektrin pyyhkäisyperiaate). Suuren aukon monokromaattorien ja erittäin herkkien valomonistimien yhdistelmä mahdollistaa heikkojen Raman-spektrien nopean tallentamisen usean tunnin valotuksen sijaan valokuvattaessa.
Luminesenssianalyysi perustuu pääasiassa kiinteiden ja nestemäisten näytteiden fluoresenssin ja fosforesenssiemission tutkimukseen, kun ne altistetaan ultravioletti- tai korpuskulaariselle säteilylle. Erityisen laajalle on levinnyt fotofluoresenssin havainnointiin perustuva analyysi. Tässä tapauksessa näyte valaistaan ​​ultraviolettisäteilyllä elohopealampusta mustan uviol-lasin läpi; Tämä suodatin läpäisee kirkkaasta 3650A elohopealinjasta ja muista lähellä olevista linjoista tulevan näkymätön säteilyn ja eliminoi näkyvän valon lampusta. Ultraviolettisäteiden vaikutuksesta näyte tai sen yksittäiset osat (heterogeenisten näytteiden tapauksessa, esimerkiksi mineraalit, jauheet) alkavat hehkua ominaisella valolla. Tämän hehkun väri ja sen voimakkuus ovat analyyttisiä ominaisuuksia, jotka mahdollistavat kvalitatiivisen ja kvantitatiivisen analyysin. Joissakin tapauksissa käytetään fluoresenssiemission spektrihajoamista; Arvioita koostumuksesta ja pitoisuudesta tehdään säteilyn spektrikoostumuksen tutkimisen perusteella.
Fluoresenssin ilmiölle on tunnusomaista seuraavat ominaisuudet, jotka määräävät sen analyyttiset ominaisuudet. Lyhytaaltosäteilyn vaikutuksesta näyteaineessa olevien luminoivien molekyylien elektroniset kuoret virittyvät; Siksi on välttämätöntä, että jännittävä säteily sijaitsee tutkittavien molekyylien absorptiokaistalla. Kiihtyneet molekyylit alkavat lähettää valoa, jonka spektrin maksimi siirtyy pitkiä aaltoja kohti suhteessa absorptiospektrin maksimiin; Tästä johtuen luminesenssispektrin aallonpituudet ovat yleensä suurempia kuin herättävän valon aallonpituudet, mutta osa aineen molekyylien absorboimasta energiasta voi tietyissä olosuhteissa jakautua molekyylien muille vapausasteille. ennen emissiota, ja fluoresenssin sammuminen tapahtuu. Se liittyy sekä itse luminoivan aineen ominaisuuksiin että liuottimen ominaisuuksiin ja kehittyy erityisen voimakkaasti luminoivan aineen korkeilla pitoisuuksilla liuoksessa (konsentraatiosammutus).
Fluoresenssispektriin perustuvalla luminesenssianalyysillä on erittäin korkea herkkyys: esimerkiksi uraaniatomeja havaitaan vähäpätöisinä pitoisuuksina jopa 10-8-10-6 %, kun taas emissioalkuaineanalyysi havaitsee vain 10-4-10-3 %. Luminesenssianalyysin niin suuri herkkyys johtaa kuitenkin vakaviin vaikeuksiin: vieraan aineen pieni sekoitus, joka myös kykenee luminesenssiin, riittää, jotta sen luminesenssi havaitaan havaittavassa spektrissä ja vääristää visuaalisen määrityksen tuloksia analyysiä tehtäessä. suoritetaan ilman spektrin hajoamista.
Luminesenssianalyysiä käytetään laajalti elintarviketeollisuudessa (tuotteiden tuoreuden seuranta), maataloudessa (siementen itävyyden seuranta), biologiassa ja lääketieteessä (terveiden kudosten erottaminen sairaista, bakteerien havaitseminen), tehdaslaboratorioissa (vikojen ja halkeamien havaitsemiseen). metalliosissa). ) jne. Tämän analyysimenetelmän suuri etu on sen yksinkertaisuus, nopeus ja käytettävien laitteiden yksinkertaisuus, erityisesti kvalitatiivisen analyysin tapauksessa.
On huomattava, että emissiomolekyylispektrejä käytetään menestyksekkäästi väliyhdisteiden (radikaalien) havaitsemiseen liekeissä, kaasupurkausplasmassa ja korkeisiin lämpötiloihin kuumennetuissa kaasuissa. Diatomiset molekyylit, kuten OH, CN, CH, N0, C2 jne. lähettävät näkyvällä ja ultraviolettialueella erittäin tyypillisiä elektronisia värähtelyspektrejä, jotka on erittäin helppo tulkita ja kvantifioida. Radikaalien emissiospektrejä käytetään niiden kvalitatiiviseen havaitsemiseen ja likimääräiseen kvantitatiiviseen arviointiin. Tähän tarkoitukseen on täysin mahdollista käyttää myös spektrin ultravioletti- ja näkyvällä alueella olevien radikaalien absorptiospektrejä sekä spektrin mikroaaltoalueella infrapuna-absorptiospektrejä (värähtelyspektrejä) ja rotaatioabsorptiospektrejä.

Spektrianalyysi on menetelmä aineen kemiallisen koostumuksen määrittämiseksi sen spektristä. Tämän menetelmän kehittivät vuonna 1859 saksalaiset tutkijat G.R. Kirchhoff ja R.V. Bunsen.

Mutta ennen kuin tarkastelemme tätä melko monimutkaista asiaa, puhutaan ensin siitä, mitä spektri on.
Alue(Latinalainen spektri "näkemys") fysiikassa - fyysisen suuren (yleensä energia, taajuus tai massa) arvojen jakautuminen. Tyypillisesti spektrillä tarkoitetaan sähkömagneettista spektriä - sähkömagneettisen säteilyn taajuuksien spektriä (tai samaa kuin kvanttienergiat).

Termi spektri otti tieteelliseen käyttöön Newton vuosina 1671-1672 osoittamaan sateenkaaren kaltaista moniväristä raitaa, joka saadaan, kun auringonsäde kulkee kolmiomaisen lasiprisman läpi. Hän julkaisi teoksessaan "Optics" (1704) tulokset kokeistaan ​​valkoisen valon hajottamiseksi prisman avulla yksittäisiksi erivärisiksi ja hajotettaviksi komponenteiksi, eli hän sai auringon säteilyn spektrit ja selitti niiden luonteen. Hän osoitti, että väri on valon luontainen ominaisuus, eikä sitä johda prisma, kuten Bacon väitti 1200-luvulla. Itse asiassa Newton loi perustan optiselle spektroskopialle: "Optiikassa" hän kuvaili kaikkia kolmea nykyään käytettyä valon hajottamistapaa - taittuminen, interferenssi(valon intensiteetin uudelleenjakauma useiden valoaaltojen superpositiota seurauksena) ja diffraktio(aallot taipuvat esteiden ympärille).
Palataan nyt keskusteluun siitä, mitä spektrianalyysi on.

Tämä on menetelmä, joka tarjoaa arvokasta ja monipuolista tietoa taivaankappaleista. Miten se on tehty? Valoa analysoidaan, ja valon analyysistä voidaan määrittää valaisimen laadullinen ja kvantitatiivinen kemiallinen koostumus, sen lämpötila, magneettikentän läsnäolo ja voimakkuus, liikkeen nopeus näköviivaa pitkin jne.
Spektrianalyysi perustuu ajatukseen, että monimutkainen valo siirtyessään väliaineesta toiseen (esimerkiksi ilmasta lasiin) hajoaa komponenttiosiinsa. Jos tämän valon säde suunnataan kolmikulmaisen prisman sivupinnalle, taittuessaan lasissa eri tavoin valkoisen valon muodostavat säteet tuottavat näytölle sateenkaariraidan, jota kutsutaan spektriksi. Spektrissä kaikki värit sijaitsevat aina tietyssä järjestyksessä. Jos olet unohtanut tämän tilauksen, katso kuvaa.

Prisma spektrilaitteena

Teleskoopeissa käytetään erikoislaitteita spektrin saamiseksi - spektrografit, asennettu kaukoputken linssin tarkennuksen taakse. Aiemmin kaikki spektrografit olivat prismoja, mutta nyt ne käyttävät prismaa prisman sijaan. diffraktiohila, joka myös hajottaa valkoisen valon spektriksi, sitä kutsutaan diffraktiospektriksi.
Kaikki tietävät, että valo kulkee sähkömagneettisten aaltojen muodossa. Jokainen väri vastaa tiettyä sähkömagneettista aallonpituutta. Spektrin aallonpituus pienenee punaisista säteistä violettiin noin 700:sta 400 mmk:iin. Spektrin violettien säteiden takana on ultraviolettisäteitä, jotka eivät näy silmällä, mutta vaikuttavat valokuvalevyyn.

Lääketieteessä käytetyillä röntgensäteillä on vielä lyhyempi aallonpituus. Maan ilmakehä estää taivaankappaleiden röntgensäteilyn. Vasta äskettäin se on tullut tutkittavaksi korkeiden rakettien laukaisujen kautta, jotka nousevat ilmakehän pääkerroksen yläpuolelle. Röntgenhavaintoja tehdään myös planeettojenvälisille avaruusasemille asennetuilla automaattisilla instrumenteilla.

Spektrin punaisten säteiden takana on infrapunasäteitä. Ne ovat näkymättömiä, mutta ne toimivat myös erityisillä valokuvalevyillä. Spektrihavainnot tarkoittavat yleensä havaintoja infrapunasäteistä ultraviolettisäteisiin.

Spektereiden tutkimiseksi instrumentit ns spektroskooppi ja spektrografi. Spektriä tutkitaan spektroskoopilla ja valokuvataan spektrografilla. Spektrin valokuvaa kutsutaan spektrogrammi.

Spektrityypit

Spektri iiriksen muodossa (kiinteä tai jatkuva) antaa kiinteitä kuumia kappaleita (kuuma hiili, sähkölampun hehkulanka) ja valtavia kaasumassoja korkeassa paineessa. Viivaspektri säteilyä tuottavat harvinaistuneet kaasut ja höyryt voimakkaasti kuumennettaessa tai sähköpurkauksen vaikutuksesta. Jokaisella kaasulla on oma sarja tiettyjen värien säteileviä kirkkaita viivoja. Niiden väri vastaa tiettyjä aallonpituuksia. Ne ovat aina samoissa paikoissa spektrissä. Muutokset kaasun tilassa tai sen hehkuolosuhteissa, esimerkiksi kuumennus tai ionisaatio, aiheuttavat tiettyjä muutoksia tietyn kaasun spektrissä.

Tutkijat ovat koonneet taulukoita, joissa on lueteltu kunkin kaasun linjat ja kunkin linjan kirkkaus. Esimerkiksi natriumin spektrissä kaksi keltaista viivaa ovat erityisen kirkkaita. On todettu, että atomin tai molekyylin spektri liittyy niiden rakenteeseen ja heijastaa tiettyjä muutoksia, joita niissä tapahtuu hehkuprosessin aikana.

Kaasut ja höyryt tuottavat viiva-absorptiospektrin, kun niiden takana on kirkkaampi, kuumempi lähde, joka tuottaa jatkuvan spektrin. Absorptiospektri koostuu jatkuvasta spektristä, joka on leikattu tummilla viivoilla, jotka sijaitsevat juuri niissä paikoissa, joissa tietylle kaasulle ominaisten kirkkaiden viivojen tulisi sijaita. Esimerkiksi kaksi tummaa natriumin absorptioviivaa sijaitsee spektrin keltaisessa osassa.

Siten spektrianalyysi mahdollistaa valoa emittoivien tai absorboivien höyryjen kemiallisen koostumuksen määrittämisen; määrittää, ovatko ne laboratoriossa vai taivaankappaleessa. Näkökentällämme olevien, emittoivien tai absorboivien atomien tai molekyylien lukumäärä määräytyy linjojen intensiteetin mukaan. Mitä enemmän atomeja, sitä kirkkaampi viiva tai sitä tummempi se on absorptiospektrissä. Aurinkoa ja tähtiä ympäröivät kaasumaiset ilmakehät. Niiden näkyvän pinnan jatkuvan spektrin leikkaavat tummat absorptioviivat, jotka ilmestyvät, kun valo kulkee tähtien ilmakehän läpi. Siksi Auringon ja tähtien spektrit ovat absorptiospektrejä.

Mutta spektrianalyysi mahdollistaa vain itsevalon tai säteilyä absorboivien kaasujen kemiallisen koostumuksen määrittämisen. Kiinteän tai nestemäisen kappaleen kemiallista koostumusta ei voida määrittää spektrianalyysillä.

Kun kappale on kuuma, sen jatkuvan spektrin punainen osa on kirkkain. Edelleen lämmitettäessä spektrin suurin kirkkaus siirtyy keltaiseen osaan, sitten vihreään osaan jne. Valoemissioteoria, kokeellisesti testattu, osoittaa, että kirkkauden jakautuminen jatkuvalla spektrillä riippuu kehon lämpötilasta. Kun tiedät tämän riippuvuuden, voit määrittää auringon ja tähtien lämpötilan. Planeettojen ja tähtien lämpötila määritetään myös kaukoputken fokukseen sijoitetun lämpöelementin avulla. Kun lämpöelementtiä kuumennetaan, siinä syntyy sähkövirtaa, joka kuvaa valaisimesta tulevan lämmön määrää.

SPEKTRAALIANALYYSI, laatumenetelmä. ja määrät. aineiden koostumuksen määrittäminen, joka perustuu niiden emissio-, absorptio-, heijastus- ja luminesenssispektrien tutkimukseen. On olemassa atomi- ja molekyylispektrianalyysiä, jonka tehtävänä on määrittää vastaavasti. aineen alkuaine- ja molekyylikoostumus. Emissiospektrianalyysi suoritetaan käyttämällä hajoamisen vaikutuksesta virittyneiden atomien, ionien tai molekyylien emissiospektrejä. menetelmät, absorptiospektrianalyysi - perustuu sähkömagneettiseen absorptiospektriin. analysoitujen kohteiden säteily (katso Absorptiospektroskopia). Tutkimuksen tarkoituksesta riippuen analysoitavan aineen ominaisuudet, käytettyjen spektrien erityispiirteet, aallonpituusalue ja muut tekijät, analyysin kulku, laitteisto, spektrien mittausmenetelmät ja metrologia. tulosten ominaisuudet vaihtelevat suuresti. Tämän mukaisesti spektrianalyysi on jaettu useisiin itsenäisiin. menetelmät (katso erityisesti Atomiabsorptioanalyysi, Atomifluoresenssianalyysi, Infrapunaspektroskopia, Raman-spektroskopia, Luminesenssianalyysi, Molekyylioptinen spektroskopia, Heijastusspektroskopia, Spektrofotometria, Ultraviolettispektroskopia, Fotometrinen analyysi, Fourier-spektroskopia, röntgenspektroskopia).

Usein spektrianalyysi ymmärretään vain atomiemissiospektrianalyysiksi (AESA), alkuaineanalyysimenetelmäksi, joka perustuu vapaiden aineiden emissiospektrien tutkimukseen. atomit ja ionit kaasufaasissa aallonpituusalueella 150-800 nm (katso Atomispektrit).

Kiinteitä aineita analysoitaessa max. Valokaari (tasa- ja vaihtovirta) ja kipinäpurkaus, joka saa voimansa erityisesti suunnitelluista purkauksista, käytetään usein. vakiintunut generaattorit (usein elektronisesti ohjatut). On myös luotu yleisgeneraattoreita, joiden avulla saadaan erityyppisiä purkauksia vaihtelevilla parametreilla, jotka vaikuttavat tutkittavien näytteiden viritysprosessien tehokkuuteen. Kiinteä sähköä johtava näyte voi toimia suoraan kaari- tai kipinäelektrodina; Johtamattomat kiinteät näytteet ja jauheet asetetaan yhden tai toisen kokoonpanon hiilielektrodien syvennyksiin. Tässä tapauksessa sekä analysoitavan aineen täydellinen haihdutus (ruiskutus) että jälkimmäisen fraktiohaihdutus ja näytekomponenttien viritys suoritetaan niiden fysikaalisten ominaisuuksien mukaisesti. ja chem. St. you, jonka avulla voit lisätä analyysin herkkyyttä ja tarkkuutta. Haihdutusfraktioinnin tehostamiseksi reagenssien analysoitavaan aineeseen käytetään laajalti lisäaineita, jotka edistävät erittäin haihtuvien yhdisteiden muodostumista korkean lämpötilan [(5-7)·10 3 K] hiilikaariolosuhteissa. (fluoridit, kloridit, sulfidit jne.) määritetyt alkuaineet. Geologiseen analyysiin. Jauhemaisissa näytteissä käytetään laajalti menetelmää, jossa näytteitä suihkutetaan tai puhalletaan hiilikaaripurkausalueelle.

Metallurgiaa analysoitaessa käytetään näytteitä erilaisten kipinäpurkausten ohella myös hehkupurkausvalonlähteitä (Grim-lamput, purkaus ontossa katodissa). Yhdistelmiä on kehitetty. automatisoitu lähteet, joissa käytetään hehkupurkauslamppuja tai sähkötermiä lamppuja haihduttamiseen tai sumutukseen. analysaattoreita ja spektrien, esimerkiksi suurtaajuisten plasmatronien, saamiseksi. Tässä tapauksessa on mahdollista optimoida määritettävien alkuaineiden haihtumis- ja viritysolosuhteet.

Nestenäytteitä (liuoksia) analysoitaessa parhaat tulokset saadaan käytettäessä inertissä ilmakehässä toimivia korkeataajuisia (HF) ja ultrakorkeataajuisia (mikroaalto) plasmatroneja sekä liekkifotometrista testausta. analyysi (katso liekkiemissiofotometria). Purkausplasman lämpötilan stabiloimiseksi optimaaliselle tasolle lisätään esimerkiksi helposti ionisoituvien aineiden lisäaineita. alkalimetallit. Erityisen menestyksekkäästi käytetään HF-purkausta, jossa on toroidimuotoinen induktiivinen kytkentä (kuva 1). Se erottaa RF-energian absorption ja spektrivirityksen vyöhykkeet, mikä mahdollistaa herätetehokkuuden ja hyödyllisen analyyttisuhteen dramaattisen lisäämisen. signaali-kohina ja siten saavuttaa erittäin alhaiset tunnistusrajat useille elementeille. Näytteet viedään viritysalueelle pneumaattisilla tai (harvemmin) ultraäänisuihkuilla. Kun analysoidaan käyttämällä HF- ja mikroaaltoplasmatroneja ja liekkifotometriaa, se liittyy. keskihajonta on 0,01-0,03, mikä mahdollistaa joissain tapauksissa AESA:n käytön tarkkojen, mutta työvoimavaltaisempien ja aikaa vievien kemiallisten menetelmien sijaan. analyysimenetelmiä.

Kaasuseosten analysointi edellyttää erikoislaitteita. tyhjiölaitteistot; spektrit viritetään RF- ja mikroaaltopurkausten avulla. Kaasukromatografian kehityksen vuoksi näitä menetelmiä käytetään harvoin.

Riisi. 1. HF plasmatron: 1-pakokaasupoltin; 2-spektrin viritysvyöhyke; 3-vyöhyke HF-energian absorptio; 4-lämpö. induktori; 5-jäähdytyskaasun sisääntulo (typpi, argon); 6-tulo plasmaa muodostavan kaasun (argon); 7-sumutetun näytteen syöttö (kantajakaasu-argon).

Analysoitaessa erittäin puhtaita aineita, kun on tarpeen määrittää alkuaineita, joiden pitoisuus on alle 10 -5 -10%, sekä analysoitaessa myrkyllisiä ja radioaktiivisia aineita, näytteet esikäsitellään; esimerkiksi määritettävät alkuaineet erotetaan osittain tai kokonaan pohjasta ja siirretään pienempään tilavuuteen liuosta tai lisätään pienempään aineen massaan, joka on helpompi analysoida. Näytteen komponenttien erottamiseen käytetään emäksen jakotislausta (harvoin epäpuhtauksia), adsorptiota, saostusta, uuttamista, kromatografiaa ja ioninvaihtoa. AESA käyttää lueteltuja kemikaaleja. näytteen väkevöintimenetelmät, joita yleensä kutsutaan kemiallinen spektrianalyysi. Lisätiedot määritettävissä olevien alkuaineiden erotus- ja väkevöintioperaatiot lisäävät merkittävästi analyysin monimutkaisuutta ja kestoa ja huonontavat sen tarkkuutta (suhteellinen keskihajonna saavuttaa arvot 0,2-0,3), mutta vähentää havaitsemisrajoja 10-100 kertaa.

Erityinen AESA:n alue on mikrospektri (paikallinen) analyysi. Tässä tapauksessa mikrotilavuus ainetta (kraatterin syvyys kymmenistä mikroneista useisiin mikroneihin) haihdutetaan yleensä laserpulssilla, joka vaikuttaa näytteen pinnan halkaisijaltaan usean osan osaan. kymmeniä mikroneita. Spekrien virittämiseen käytetään useimmiten pulssikipinäpurkausta, joka on synkronoitu laserpulssin kanssa. Menetelmää käytetään mineraalien ja metallurgian tutkimuksessa.

Spektrit tallennetaan käyttämällä spektrografeja ja spektrometrejä (kvantometrejä). Näitä laitteita on monenlaisia, ja ne eroavat toisistaan ​​aukon, dispersion, resoluution ja toimintaspektrialueen suhteen. Suuri aukkosuhde on välttämätön heikon säteilyn tallentamiseen, suuri dispersio tarvitaan saman aallonpituuksien spektriviivojen erottamiseen analysoitaessa materiaaleja moniviivaspektrillä sekä analyysin herkkyyden lisäämiseksi. Diffraktiolaitteita käytetään laitteina, jotka hajottavat valoa. ritilät (litteät, koverat, kierteitetyt, holografiset, profiloidut), joissa on useita. sadoista useisiin tuhat iskua millimetriä kohti, paljon harvemmin - kvartsi- tai lasiprismat.

Spektrografit (Kuva 2), spektrien tallentaminen erikoisella. valokuvalevyt tai (harvemmin) valokuvafilmeille, mieluiten korkealaatuiselle AESA:lle, koska niiden avulla voit tutkia näytteen koko spektriä kerralla (laitteen työalueella); niitä käytetään kuitenkin myös määriin. vertailun vuoksi. alhaiset kustannukset, saatavuus ja helppohoitoisuus. Valokuvalevyjen spektriviivojen tummumista mitataan mikrofotometreillä (mikrodensitometreillä). Tietokoneiden tai mikroprosessorien käyttö tarjoaa automaattisen mittaustapa, niiden tulosten käsittely ja loppuanalyysitulosten tuottaminen.

Kuva 2. Spektrografin optinen rakenne: 1-sisääntulorako; 2-käännös peili; 3-pallomainen peili; 4-diffraktio ristikko; 5-valo asteikko valaistus; 6-asteikko; 7-valokuvalevy.

Riisi. 3. Kvantometrikaavio (40 tallennuskanavasta vain kolme on esitetty): 1-polykromaattori; 2-diffraktio ritilät; 3 lähtöpaikkaa; 4-PMT; 5 sisääntulopaikkaa; 6 - jalustat valonlähteillä; 7 - kipinä- ja kaaripurkausgeneraattorit; 8- elektroninen tallennuslaite; 9 - johtaja laskee. monimutkainen.

Spektrometreissä suoritetaan valosähköä. rekisteröintianalyytikko. signaaleja käyttämällä valomonistinputkia (PMT) ja automaattista tietojenkäsittely tietokoneella. Aurinkosähkö monikanavaiset (jopa 40 kanavaa tai enemmän) polykromaattorit kvantometreissä (kuva 3) mahdollistavat analyytin samanaikaisen tallennuksen. kaikkien ohjelman tarjoamien määriteltyjen elementtien rivit. Käytettäessä skannaavia monokromaattoreita, monielementtianalyysi varmistetaan nopealla skannauksella spektrin poikki tietyn ohjelman mukaisesti.

Alkuaineiden (C, S, P, As jne.) määrittämiseen voimakkaimmat analyytit. joiden viivat sijaitsevat spektrin UV-alueella alle 180-200 nm aallonpituuksilla, käytetään tyhjiöspektrometrejä.

Kvanttimittareita käytettäessä analyysin kesto määräytyy keskiarvona. vähintään menettelyt lähdemateriaalin valmistelemiseksi analyysia varten. Näytteenvalmistusaika lyhenee merkittävästi automatisoimalla. pitkät vaiheet - liukeneminen, liuosten saattaminen standardikoostumukseen, metallien hapetus, jauheiden jauhaminen ja sekoittaminen, näytteenotto tietystä massasta. monikossa Tapauksissa monielementtinen AESA suoritetaan usean ajanjakson aikana. minuuttia, esimerkiksi: analysoitaessa ratkaisuja automaattisen mittauksen avulla. aurinkosähkö spektrometrejä RF-plasmatroneilla tai analysoitaessa metalleja sulatusprosessin aikana automaattisesti näytteiden toimittaminen säteilylähteeseen.

Rauta- ja ei-rautametallien metallurgiassa ovat yleiset nopeat puolikvantitatiiviset (suhteellinen standardipoikkeama 0,3-0,5 tai enemmän) menetelmät tärkeimpien tai tärkeimpien pitoisuuksien määrittämiseksi. lejeeringeille ominaiset komponentit, esim. niitä merkinnässä, metalliromun lajittelussa kierrätystä varten jne. Tätä tarkoitusta varten käytetään yksinkertaisia, kompakteja ja halpoja visuaalisia ja valosähköisiä laitteita. instrumentit (styloskoopit ja stylometrit) yhdessä kipinägeneraattoreiden kanssa. Elementtien määrättyjen sisältöjen valikoima on useista. prosentin kymmenesosista kymmeniin prosenttiin.

AESAa käytetään tieteellisessä tutkimuksessa; sen avulla he löysivät kemian. elementtejä tutkitaan arkeologisesti. esineitä, määrittää taivaankappaleiden koostumus jne. AESAa käytetään laajalti myös tekniikan ohjaamiseen. prosessit (erityisesti raaka-aineen, teknologian ja valmiiden tuotteiden koostumuksen määrittämiseksi), ympäristöobjektien tutkiminen jne. AES:n avulla on mahdollista määrittää melkein kaikki jaksolliset elementit. järjestelmät hyvin laajalla sisältöalueella - 10-7 % (pkg/ml) kymmeniin prosenttiin (mg/ml). Ydinvoimalaitoksen edut: mahdollistakyky määrittää samanaikaisesti suuri määrä elementtejä (jopa 40 tai enemmän) pienestä ainenäytteestä riittävän suurella tarkkuudella (katso taulukko), menetelmän monipuolisuus. erilaisten analysointitekniikoiden avulla in-in, ilmaisukyky, suhteellinen yksinkertaisuus, saavutettavuus ja alhaiset laitteiden kustannukset.
, toim. HEI. Zilbershteina, L., 1987; Kuzyakov Yu.Ya., Semenenko K.A., Zorov N.B., Methods of spectral analysis, M., 1990. Yu.I. Korovin,

Spektritutkimusmenetelmät perustuvat tietyn aineen atomien tai molekyylien sähkömagneettisen säteilyn absorption (tai emission) käyttöön.

Säteilyn taajuus (aallonpituus) määräytyy aineen koostumuksen mukaan. Analyyttisen signaalin voimakkuus on verrannollinen sen ilmaantumisen aiheuttaneiden hiukkasten lukumäärään eli määritettävän aineen tai seoksen komponentin massaan.

Spektrianalyysimenetelmät tarjoavat runsaasti mahdollisuuksia tarkkailla ja tutkia oleellisia signaaleja sähkömagneettisen spektrin eri alueilla - röntgen- ja ultraviolettisäteilyssä, näkyvässä valossa, infrapunassa sekä mikro- ja radioaaltosäteilyssä.

Analyyttisen signaalin lähteen ja tyypin mukaan spektrimenetelmät jaetaann, molekyyliluminesenssi- tai fluorimetriaan, atomiabsorptio- ja atomiemissiospektrometriaan sekä ydinmagneettiseen resonanssiin ja elektroniparamagneettiseen resonanssispektrometriaan.

SISÄÄN molekyyliabsorptiospektrometria He tutkivat analyyttisiä signaaleja alueella 200-750 nm (UV-säteily ja näkyvä valo), jotka aiheutuvat ulompien valenssielektronien elektronisista siirtymistä, sekä säteilyn absorptiota infrapuna- ja mikroaaltoalueella, joka liittyy molekyylien pyörimisen ja värähtelyn muutoksiin. . Yleisimmin käytetty menetelmä perustuu absorption tutkimukseen spektrin näkyvällä alueella aallonpituusalueella 400-750 nm - fotometria; sekä menetelmä, joka perustuu säteilyn absorptioon sähkömagneettisen spektrin infrapuna-alueen eri osissa - IR-spektrometria, useimmiten käytetty säteilyn absorptio keskellä (aallonpituus 2,5 - 25 μm) ja lähellä (aallonpituus 0,8 - 2,5 μm) ) IR-alue.

Fotometrinen menetelmä kvantitatiivinen analyysi perustuu analyytin, seoskomponentin tai niiden värillisten muotojen kykyyn absorboida sähkömagneettista säteilyä optisella alueella. Absorptiokyky riippuu testattavan aineen väristä. Värin määrää molekyylin elektroninen rakenne, se liittyy yleensä molekyylissä oleviin ns. kromoforiryhmiin, jotka määräävät aineen sähkömagneettisen säteilyn absorption spektrin näkyvällä ja UV-alueella.

Yleinen fotometrisen määrityksen suorittamiskaavio on yhtenäinen ja sisältää seuraavat vaiheet:

· näytteen valmistus ja analyytin tai komponentin siirto liuokseen, reaktiiviseen muotoon, riippuen analyyttisen reaktion kemiasta;

· värillisen analyyttisen muodon saaminen analyytistä värireaktion suorittamisen tuloksena optimaalisissa olosuhteissa, jotka varmistavat sen selektiivisyyden ja herkkyyden;

· analyyttisen muodon valoa absorboivan kyvyn mittaaminen, eli analyyttisen signaalin rekisteröinti tietyissä olosuhteissa, jotka vastaavat sen sijaintia ja suurinta intensiteettiä.

Teollisuus tuottaa erilaisia ​​molekyyl- kolorimetrejä, fotometrejä, fotoelektrokolorimetrejä, spektrofotometrejä jne., joihin on asennettu erilaisia ​​valonlähteiden, monokromatisoijien ja reseptoreiden yhdistelmiä. Laitteet voidaan luokitella seuraavasti:

· säteilyvuon monokromatisointimenetelmän mukaisesti - spektrofotometrit, eli laitteet, joissa on prisma tai hilamonokromaattori, jotka mahdollistavat työsäteilyn korkean monokromatisoinnin asteen; fotoelektrokolorimetrit, ts. laitteet, joissa monokromatisointi saadaan aikaan käyttämällä valosuodattimia;

· mittausmenetelmän mukaan - yksisäde suoralla mittauspiirillä (suoraan osoittava) ja kaksisäde kompensointipiirillä;

· mittausten kirjaamismenetelmän mukaan - kirjaaminen ja rekisteröimättä jättäminen.

Infrapunaspektroskopia on menetelmä kemiallisten yhdisteiden analysoimiseksi, jotka absorboivat energiaa infrapunasäteilyssä (lämpösäteily). IR-spektroskopiaa käytetään melkein minkä tahansa funktionaalisen ryhmän määrittämiseen, yhdisteiden tunnistamiseen jne. Eri molekyylit, jotka sisältävät saman atomiryhmän, antavat absorptiokaistat IR-spektrissä saman ominaistaajuuden alueella. Ominaiset taajuudet mahdollistavat molekyylin spesifisten atomiryhmien tunnistamisen spektristä ja siten aineen kvalitatiivisen koostumuksen ja molekyylin rakenteen määrittämisen. Yleisesti ottaen IR-analysaattori on yksi- tai kaksisäteinen infrapunaspektrofotometri, joka koostuu kolmesta päälohkosta: näytteen valmistelu, spektrofotometriset mittaukset, signaalin muunnos ja laskelmat. Tällä hetkellä IR-analysaattoreita on kehitetty 0,8-2,5 mikronin spektrin lähi-infrapuna-alueella tehdyn työn perusteella (NIR-analysaattorit).

Molekyyliluminesenssispektrometria. Fluoresenssimittaukseen perustuvaa analyysimenetelmää kutsutaan fluorimetria. Fluoresenssi (luminesenssi - valon emissio) johtuu aineen tietyn aallonpituuden valon absorptiosta. Ultraviolettivalon absorptio tietyissä molekyyleissä, joissa on helposti virittyviä elektroneja, johtaa fluoresenssiin näkyvällä spektrialueella. Fluoresenssi on ominaista suhteellisen pienelle määrälle yhdisteitä (aromaattiset yhdisteet ja porfiinit). Useita yhdisteitä voidaan muuttaa fluoresoiviksi lisäämällä fluoresoiva ryhmä molekyyliin. Fluorimetrian tärkein etu muihin absorptiomenetelmiin verrattuna on sen korkea selektiivisyys, koska huomattavasti pienempi määrä aineita fluoresoi. Menetelmää käytetään herkästi hyvin pienten alkuainemäärien määrittämiseen orgaanisten aineiden analyysissä, pienten määrien vitamiinien, hormonien, antibioottien, syöpää aiheuttavien yhdisteiden jne. määrittämisessä. Fluorimetriaa käytetään mikro-organismien ja somaattisten solujen määrittämiseen.

Mikro-organismien määritysmenetelmä koostuu erityisestä näytteen valmistelusta, jonka aikana tuotteen sisältämät bakteerit maalataan väriaineella kirkkaan oranssiksi, minkä seurauksena bakteerisuspensio saa kyvyn fluoresoida. Fluoresenssin intensiteetti on verrannollinen mikrobien määrään ja sitä ohjataan elektronisesti.

Mikro-organismien fluorimetrinen seurantamenetelmä on melko yleinen ja siinä on yksinkertainen laitteisto.

SISÄÄN atomispektroskopia aineita tutkitaan muuntamalla ne atomihöyrytilaksi - atomiabsorptiospektroskopia tai kaasutila - atomiemissiospektroskopia. Atomispektroskopiamenetelmää käytetään laajasti erilaisten raaka-aineiden ja elintarvikkeiden analysoinnissa. Menetelmän avulla voit määrittää noin 70 eri elementtiä; käytetään useiden elementtien määrittämiseen samanaikaisesti (monielementtianalyysi); sarjaanalyysiin korkean herkkyyden ja nopeuden ansiosta.

Atomiabsorptiospektrometria perustuu analysoitavan aineen atomihöyryn sähkömagneettisen säteilyn absorption mittaamiseen. Säteilyvoimakkuuden ero ennen analysoitavan näytteen läpikulkua ja sen jälkeen mitataan fotometrisesti. Laite, joka mahdollistaa AAS-menetelmän suorittamisen, on

· atomiabsorptiospektrometri, jolla on seuraavat pääkomponentit,

· tutkittavalle metallille ominaisen tietyn aallonpituuden omaava valonlähde;

· "absorptiokenno", jossa näyte sumutetaan;

· monokromaattori tietyn aallonpituuden spektrin kapean osan eristämiseen;

· valomonistinputki, joka havaitsee, vahvistaa ja mittaa tuloksena olevan valovirran voimakkuutta;

· laite, joka rekisteröi ja tallentaa tuloksena olevan signaalin.

Valonlähde lähettää sädevirtaa, jonka spektri on määritettävälle elementille ominaista. Tämä virtaus fokusoidaan absorptiokennon ja monokromaattorin läpi, jossa tutkittavalle elementille ominaista spektrialuetta eristetään. Virtaus lähetetään sitten valomonistinputkeen ja muunnetaan sähköiseksi signaaliksi. Jälkimmäisen suuruus riippuu valomonistimeen tulevan valovirran voimakkuudesta, ja se tallennetaan erityisellä laitteella.

Vertaamalla testinäytteen mittaustuloksia standardiliuosten mittaustuloksiin määritetään näytteen alkuaineen pitoisuus.

Säteilylähteinä käytetään pääsääntöisesti onttokatodisia lamppuja, jotka ovat lineaarisen spektrin lähteitä määritettäessä kyseessä olevien metallien pitoisuutta. Tällaisen lampun katodi on onton sylinterin tai lasin muotoinen. Lampun tilavuus on täytetty inertillä kaasulla (neonilla tai joskus argonilla). On monielementtisiä onttokatodilamppuja esimerkiksi kuparin ja sinkin tai kuparin, sinkin, lyijyn ja kadmiumin määritykseen. Ne voivat olla erittäin käteviä. Niiden etuna on lamppujen lämmittämiseen kuluvan ajan väheneminen. Tällaiset lamput tuottavat kuitenkin tyypillisesti vähemmän energiapäästöjä kuin yksielementtiset lamput, mikä johtaa huonoon herkkyyteen; Spektrihäiriöitä saattaa esiintyä.

SISÄÄN atomiemissiospektrometria tutkia atomiemissiospektrejä, jotka on saatu kaasumaisessa tilassa olevien atomien virityksestä.

Plasmaa käytetään atomien muuntamiseen kaasumaiseen tilaan ja niiden virittämiseen, argonia käytetään väliaineena plasman tuottamiseen. On kaksi tapaa saada plasmaa. Yhdessä niistä viritys tapahtuu elektrodien - tasavirtaplasman - välisten sähköpurkausten vaikutuksesta, ja toisessa suurtaajuisen vaihtovirran energia siirretään kaasuun magneettisen induktion avulla - induktiivisesti kytketty plasma. Tämä luo korkeita lämpötiloja, joiden vuoksi suurin osa atomeista menee virittyneeseen tilaan. Energian absorptio tällaisten atomien toimesta on mahdotonta, joten siirtymisen aikana viritetystä tilasta perustilaan tapahtuu fotonien emission (emission), jonka intensiteetti on verrannollinen virittyneiden atomien lukumäärään. Alkuaineen kvantitatiivinen määritys suoritetaan samalla tavalla kuin atomiabsorptiospektrometriassa.

Laitteet, jotka mahdollistavat menetelmän suorittamisen ydinvoimala, niissä on samat pääosat kuin atomiabsorptiospektrometrillä.

Magneettiresonanssispektroskopia. Massaspektroskopia. Ydin(NMR) tutkii magneettiresonanssia, joka syntyy ytimen magneettisen momentin vuorovaikutuksesta ulkoisen magneettikentän kanssa. NMR-menetelmällä on mahdollista tutkia ytimiä, joilla on oma kulmamomentti (ydinspin) ja siihen liittyvä ytimen magneettinen momentti.

Kvanttimekaniikan mukaan ytimen sisäinen kulmamomentti (spin) saa tiukasti määritellyt arvot. Koska ydinspin on vektori, sille on ominaista suuruus ja suunta. Ulkoisessa magneettikentässä ydinspinille on mahdollista kaksi suuntaa: ulkoisten magneettikenttälinjojen suuntaa pitkin ja niitä vastaan. Jokainen spin-arvo vastaa tiettyä energia-arvoa. Ydinspin uudelleensuuntaamiseen suunnan muutoksella liittyy energian DE absorptio. Tällaiset siirtymät johtuvat ytimen altistumisesta sähkömagneettisen spektrin radiotaajuusalueelle. Tässä tapauksessa analysoitu järjestelmä absorboi energiaa tiukasti kiinteillä taajuuden v arvoilla, eli havaitaan resonanssiilmiö. Tämä energian absorptio mitataan kokeellisesti, DE on suoraan verrannollinen magneettikentän voimakkuuteen ytimen sijainnissa ja määritellään D:ksi. E= hv, missä h on Planckin vakio.

Elektronihöyryresonanssispektroskopia (EPR) tutkii magneettista resonanssia, joka syntyy elektronin magneettisen momentin vuorovaikutuksesta ulkoisen suurtaajuisen (mikroaalto)magneettikentän kanssa. EPR-menetelmällä tutkitaan parittomien elektronien molekyylinsisäistä ympäristöä.

Magneettiresonanssin teoria ei sovellu vain ytimiin, vaan myös elektroneihin, koska jälkimmäisillä on myös spin ja magneettinen momentti. Ulkoisen magneettikentän puuttuessa elektronien spinit ovat satunnaisesti suunnattuja ja elektronien energia on sama. Vakiomagneettikentässä elektronien magneettiset momentit suuntautuvat ulkoisen magneettikentän suunnan mukaan. Elektronit, joilla on spin-orientaatio kentässä, ovat korkealla energiatasolla, elektronit, joilla on spin-orientaatio kenttää vasten, ovat alemmalla, vakaammalla tasolla. Jos tasaisessa magneettikentässä sijaitsevat elektronit altistuvat suurtaajuiselle magneettikentälle, jonka suunta on kohtisuorassa tasaisen magneettikentän suuntaan, niin tietyillä vakiokentän voimakkuuden ja vaihtokentän taajuuden välisillä suhteilla havaitaan vaihtuvan kentän energian resonanssiabsorptio. Se tallennetaan spektrometrillä elektronin paramagneettisen resonanssispektrin muodossa - EPR-spektri . Spektriä kvantitatiivisesti arvioitaessa pääanalyyttisenä parametrina käytetään spin-spin-vuorovaikutusvakiota, massaspektroskopialla on erityinen asema spektroskooppisten menetelmien joukossa. Sanan varsinaisessa merkityksessä tämä menetelmä ei ole spektroskooppinen, koska aine ei altistu sähkömagneettiselle säteilylle analyysin aikana.

Massaspektroskopia perustuu aineen neutraaleista molekyyleistä saatujen fragmentti-ionien virran tutkimiseen altistamalla ne elektronisuihkulle.

Menetelmällä tutkittu aine Ydinmagneettinen resonanssi, sijoitetaan samanaikaisesti kahteen magneettikenttään - toiseen vakioon ja toiseen radiotaajuuteen. Mittaus suoritetaan NMR-spektrometrillä , jonka pääkomponentit ovat: sähkömagneetti (yksinkertaisissa laitteissa käytetään kestomagneettia); radiotaajuusgeneraattori; anturi, johon sijoitetaan koeputki näytteen kanssa, elektroninen vahvistin ja integraattori sekä tallennin. NMR-menetelmässä käytetään seuraavia analyyttisiä parametreja: kemiallinen siirtymä, spin-spin-vuorovaikutusvakio, signaalin intensiteetti, relaksaatioaika.

Elektroniparamagneettinen resonanssimenetelmä perustuu aineen ulkoisesta magneettikentästä tulevan energian absorption mittaamiseen. EPR-menetelmällä analysoidaan kaikki parittomia elektroneja sisältävät yhdisteet niiden aggregaatiotilasta riippumatta. Käyttöalue määräytyy kyvetin rakenteen mukaan. EPR on yksi herkimmistä menetelmistä, herkkyysraja on 10 "mol/l.

Massaspektrometria perustuu ionien tuottamiseen neutraaleista molekyyleistä altistamalla ne elektronisuihkulle, jonka energia riittää ionisaatioon. Tässä tapauksessa muodostuu pääasiassa positiivisia ioneja, jotka voivat hajota erillisiksi fragmenteiksi. Ionivirtojen tallennettua riippuvuutta yksittäisten fragmenttien massasta kutsutaan massaspektriksi. Vuorovaikutuksen seurauksena elektronin kanssa virittynyt molekyyli (jonka energia on yli 103 kJ/mol) hajoaa muodostaen positiivisen molekyyli-ionin ja elektronin (ionisaatio).

Useimmissa tapauksissa molekyyli-ionilla on merkittävää sisäistä energiaa ja se hajoaa nopeasti edelleen varautuneiksi ja varautumattomiksi fragmenteiksi (fragmentoituminen).

Fragmentti-ionit puolestaan ​​voivat hajota muodostaen uusia fragmentteja. Joissakin tapauksissa pirstoutumiseen liittyy uudelleenjärjestelyjä. Molekyyli-ionien hajoamisprosessi tapahtuu, kunnes ne muodostavat ioneja, joiden sisäinen energia ei riitä niiden muuntamiseen edelleen. Massaspektrometrit toimivat korkeassa tyhjiössä, mikä minimoi ei-toivotut molekyylien väliset reaktiot ja edistää myös molekyylin sisäistä fragmentaatiota.

Massaspektri on positiivisesti varautuneiden ionien juovien spektri. Huolimatta siitä, että massaspektrometrian ja optisen spektrometrian välillä ei ole todellista yhteyttä, molempia menetelmiä kutsutaan spektrometrisiksi spektrien graafisten esitysten muodollisen samankaltaisuuden vuoksi.

Massaspektrometriamenetelmää käytetään tutkimuskäytännössä yhdisteiden tunnistamiseen ja tuntemattomien aineiden rakenteen selvittämiseen, molekyylipainon tarkkaan määrittämiseen, alkuainekoostumuksen määrittämiseen, biologisesti aktiivisten yhdisteiden pienten määrien analysointiin, peptidien aminohapposekvenssin määrittämiseen, monikomponenttisten seosten analysointiin jne. .

Mac-spektrianalyysi perustuu kaasu-ionien kykyyn erottua magneettikentässä m/e-suhteesta riippuen, missä m on massa, e on ionin varaus. Molekyylien ionisoituminen kaasussa tapahtuu elektronivirran vaikutuksesta. Ionin massaluku määräytyy m/e-arvon perusteella ja ionipitoisuuden määrää vastaavan signaalin intensiteetti.

Laadukas massaspektri analyysi perustuu ionien massan mittaamiseen. Massojen tunnistaminen tapahtuu valokuvalevyn viivan sijainnin perusteella, joka kiinnitetään mittaamalla tunnetun massan omaavien viivojen ja analysoitavan viivan välinen etäisyys.

Kvantitatiiviset mittaukset massaspektrometriassa suoritetaan anturin tallentamalla virralla tai valokuvauslevyn tummumalla. Ensimmäisessä tapauksessa laskelmat perustuvat siihen, että ionivirran I huippu on verrannollinen komponentin pitoisuuteen tai sen osapaineeseen:

missä k, c ovat suhteellisuuskertoimia; c - pitoisuus; p - paine.

Luennon sisältö: 1. Spektrianalyysimenetelmien luokittelu

2. Analyysin teoreettiset perusteet

3. Spektriinstrumenttien peruselementit ja niiden käyttötarkoitus.

Luennon tarkoitus: Esittele spektrianalyysin teoria ja selittää fysikaalis-kemiallisten analyysimenetelmien roolia ympäristöongelmien ratkaisemisessa

Luentomuistiinpanot:

Spektrianalyysi- joukko menetelmiä esineen koostumuksen laadulliseen ja kvantitatiiviseen määrittämiseen, joka perustuu sen vuorovaikutuksen spektrien tutkimukseen säteilyn kanssa, mukaan lukien sähkömagneettisen säteilyn spektrit, akustiset aallot, alkuainehiukkasten massa- ja energiajakaumat jne.

Analyysin tarkoituksesta ja spektrityypeistä riippuen erotetaan useita spektrianalyysimenetelmiä. Atomi Ja molekyylinen spektrianalyysit mahdollistavat aineen alkuaine- ja molekyylikoostumuksen määrittämisen. Emissio- ja absorptiomenetelmissä koostumus määritetään emissio- ja absorptiospektreistä.

Massaspektrometrinen analyysi suoritetaan käyttämällä atomi- tai molekyyli-ionien massaspektrejä, ja sen avulla voidaan määrittää kohteen isotooppinen koostumus.

Jokaisen kemiallisen alkuaineen atomeilla on tiukasti määritellyt resonanssitaajuudet, minkä seurauksena ne lähettävät tai absorboivat valoa juuri näillä taajuuksilla.

Tummat viivat ilmestyvät, kun atomin alemmilla energiatasoilla sijaitsevat elektronit nousevat valonlähteen säteilyn vaikutuksesta samanaikaisesti korkeammalle tasolle, absorboivat tietyn aallonpituuden valoaallot ja putoavat välittömästi sen jälkeen takaisin edelliselle tasolleen. , säteilee saman aallonpituuden aaltoja päinvastoin - mutta koska tämä säteily on hajallaan tasaisesti kaikkiin suuntiin, toisin kuin suuntaavasta säteilystä lähtölähteestä, spektrogrammissa näkyy tummia viivoja spektrissä vastaavassa paikassa/paikoissa. annettu aallonpituus/pituudet. Nämä aallonpituudet ovat erilaisia ​​kullekin aineelle, ja ne määräytyvät kyseisen aineen atomien elektronienergiatasojen välisestä energiaerosta.

Tällaisten juovien lukumäärä tietylle aineelle on yhtä suuri kuin mahdollisten vaihtoehtojen lukumäärä elektronien siirtymälle energiatasojen välillä; esimerkiksi jos tietyn aineen atomeissa elektronit sijaitsevat kahdella tasolla, vain yksi siirtymävaihtoehto on mahdollinen - sisäiseltä tasolta ulkoiselle (ja päinvastoin), ja tämän aineen spektrogrammissa on yksi tumma viiva. Jos elektronisia energiatasoja on kolme, niin mahdollisia siirtymävaihtoehtoja on jo kolme (1-2, 2-3, 1-3), ja spektrogrammissa on myös kolme tummaa viivaa.

Viivojen intensiteetti riippuu aineen määrästä ja sen tilasta. Kvantitatiivisessa spektrianalyysissä tutkittavan aineen pitoisuus määräytyy spektrien juovien tai vyöhykkeiden suhteellisen tai absoluuttisen intensiteetin perusteella.

Optiselle spektrianalyysille on ominaista suhteellisen helppokäyttöisyys, monimutkaisen näytteen valmistelun puuttuminen analysointia varten ja pieni määrä ainetta (10-30 mg), joka tarvitaan useiden elementtien analysointiin.

Atomispektrit (absorptio tai emissio) saadaan siirtämällä aine höyrytilaan kuumentamalla näyte 1000-10000 °C:seen. Johtavien materiaalien emissioanalyysissä käytetään atomien virityslähteenä kipinää tai vaihtovirtakaari; tässä tapauksessa näyte sijoitetaan yhden hiilielektrodin kraateriin. Liuosten analysointiin käytetään laajasti eri kaasujen liekkejä tai plasmaa.

Spektroskooppiset menetelmät edustavat laajinta ryhmää, koska ne kattavat valtavan alueen sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksia. Analyysimenetelmät voivat perustua sekä analysoitavan aineen säteilyn absorptioon että sen säteilyn rekisteröintiin.

Tärkeimmät menetelmät, joita käytetään tavalla tai toisella tai joita voitaisiin käyttää arvioitaessa luonnonympäristön kohteiden saastumista.

Spektrianalyysimenetelmät ovat menetelmiä, jotka perustuvat aineiden kemiallisen koostumuksen ja rakenteen määrittämiseen niiden spektristä. Aineen spektri on aineen aallonpituuden mukaan järjestetty, emittoitu, absorboitunut, sironnut tai taittunut sähkömagneettinen säteily.

Sähkömagneettisen säteilyn (energian) emissio- (emissio) spektrien saamiseen ja tutkimiseen perustuvia menetelmiä kutsutaan emissioksi, absorptio (absorptio) - absorptio, sironta - sirontamenetelmät, taittuminen - taittuva. Aineen spektri saadaan vaikuttamalla siihen lämpötilalla, elektronivirralla, valovirralla (sähkömagneettinen energia) tietyllä aallonpituudella (säteilytaajuudella) ja muilla menetelmillä. Tietyllä määrällä iskuenergiaa aine pystyy siirtymään virittyneeseen tilaan. Tässä tapauksessa tapahtuu prosesseja, jotka johtavat säteilyn esiintymiseen tietyllä aallonpituudella spektrissä. Sähkömagneettisen säteilyn emissiota, absorptiota, sirontaa tai taittumista voidaan pitää analyyttisenä signaalina, joka välittää tietoa aineen tai sen rakenteen laadullisesta ja kvantitatiivisesta koostumuksesta. Säteilyn taajuus (aallonpituus) määräytyy tutkittavan aineen koostumuksen mukaan ja säteilyn intensiteetti on verrannollinen sen ilmaantumisen aiheuttaneiden hiukkasten lukumäärään, ts. aineen tai seoksen komponentin määrä. Kukin analyysimenetelmä ei yleensä käytä aineen koko spektriä, joka kattaa aallonpituusalueen röntgensäteistä radioaalloille, vaan vain osan siitä.

Spektrimenetelmät erotetaan yleensä tietyllä menetelmällä toimivien spektriaallonpituuksien alueella: ultravioletti (UV), röntgensäde, infrapuna (IR), mikroaaltouuni jne. Menetelmiä, jotka toimivat UV-, näkyvällä ja IR-alueella, kutsutaan optisiksi. Niitä käytetään eniten spektrimenetelmissä spektrin hankkimiseen ja tallentamiseen tarvittavan laitteiston suhteellisen yksinkertaisuuden vuoksi.

Kontrollikysymykset:

1. Spektrit, niiden saantimenetelmät, ominaisuudet, luokittelu

2. Käytä analyyttisiin tarkoituksiin.

Opiskelijoiden itsenäisen työn aihe (SWS):

1. Fysikaaliset analyysimenetelmät.

2. Tietokoneen käyttö analyyttisessä kemiassa

Kirjallisuus:

1. Zyablov A.N. Analyyttinen kemia. Voronezh, 2006. –S. 75

2. Alemasova A.S., Lugovoy K.S. Ympäristöanalyyttinen kemia. Donetsk. 2010.