Метод молекулярной спектрометрии

Метод молекулярной спектрометрии.
Данный метод основан на поглощении световых волн молекулами вещества.
Свет - это электромагнитные волны с длиной волны 4*10 -7 - 8*10-7 м. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Для того чтобы атом начал излучать энергию, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к
его атомам извне.
Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых
определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны.
Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно
нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.
Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь
эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность “заглянуть” внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.
Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какоголибо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения
свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов:
они способны излучать строго-определенный набор длин волн.
На этом и основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру.
Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость
узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный
элемент в составе сложного вещества. Это очень чувствительный метод.
Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не
только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.
Закон Бугера – Ламберта - Бера
Атом, ион или молекула, поглощая квант света, переходит в более высокое энергетическое состояние. Обычно это
бывает переход с основного, невозбужденного уровня на один из более высоких, чаще всего на первый возбуужденный уровень. Вследствие поглощения излучения при прохождении его через слой вещества интенсивность излучения
уменьшатеся и тем больше, чем выше концентрация светопоглощающего вещества.
Закон Бугера – Ламберта – Бера связывает уменьшение интенсивности цвета, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя. Чтобы учеть потери света на отражение и рассеяние,
сравнивают интенсивности цвета, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель. При одинаковой толщине
слоя в кюветах, из одинакового материала, содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеяние
света будут примерно одинаковы у обоих пучков и уменьшение интенсивности света будет зависеть от концентрации
вещества.
Уменьшение интенсивности света, прошедшего черз раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или
просто пропусканием) Т, где I и I0 – соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель.
Т=I/I0
Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью А:
-lgT= - lgl/l0 = lg l0/l = A
Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера:
I=I0 * 10 -lc или I/I0=10-lc
Где  - молярный коэффициент поглощения,
l – толщина светопоглощающего слоя,
с – концентрация раствора
Физический смысл молярного коэффициента поглощения сразу становится ясным, если мы принимаем с = 1 моль/л и
l = 1 см. Тогда А= .
Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщиние слоя 1 см.
Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашеных веществ, обладает свойством аддитивности,
которое называют свойством аддитивности светопоглощения. В соответствии с этим законом поглощение света каким-либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличи окрашеных веществ в растворе каждое из них будет давать свой аддтивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность. Т.е.
мы получаем:
A=l(1c1 + 2c2 + kck )
В соответствии с уравнением –lgT = A = lc
получается, что зависимость оптической
плотности от концентации графически выражается прямой линией, выходящей из начала координат. Опыт же показывает, что линейная зависимость наблюдается не всегда. При практическом применении закона необходимо учитывать следущие ограничения:
1. Закон справедлив для монохроматического света. Чтобы отметить это ограничение в уравнение вводят индексы
и записывают в виде: A = lc. Индекс  указывает, что величиныы А и  относятся к монохроматическому свету с
длиной волны 
2. Коэффициент  зависит от показателся преломления среды. Если концентрация раствора сравнительно невелика,
его показатель преломления остается таким же, каким он был у чистого растворителя, и отклонений от закона по
этой причине не наблюдается. Изменение показателя преломления в высококонцентрированных растворах может
явиться причиной отклонений от основного закона светопоглощения
3. Температура при измерениях должна оставатсья постоянной хотя бы в пределах нескольких градусов
Пучок света должен быть параллельным
Данное уравнение соблюдается для систем, в которых светопоглощающими
центрами являются частицы только одного сорта. Если при изменении концентрации будет изменяться природа
этих частиц вследствие, например, кислотно – основного взаимодействия, полимеризации, диссоциации, то зависимость А он с не будет линейной, так как молярный коэффициент поглощения вновь образующихся частиц не будет в
общем случае одинаковым.
Спектры поглощения
Свет поглощается раствором избирательно: при некоторых длинах волн светопоглощение происходит интенсивно, а
при некоторых свет не поглощается. Интенсивно поглощаются кванты света, энергия которых равна h энергии возбуждения частицы и вероятность их поглощения больше нуля. Молярный коэффициент поглощения при этих частотах (или длинах волн) достигает больших значений.
Распределение по частотам (или по длинам волн) значений молярного коэффициента поглощения называется спектром поглощения.
Обычно спектр поглощения выражают в виде графической зависимости оптической плотности А или молярного коэффицциента поглощения  от частоты  или длины волны  падающего света. Вместо А или  нередко одкладывают
их логарифмы.
Кривые в координатах lgA -  при изменении в концентрации или толщины слоя перемещаются по ординате вверх
или вниз параллельно самим себе, в то время как кривые в координатах А -  этим свойством не обладают. Существенное значение имеет эта особеннсть для качественного анализа. При изучении инфракрасных спектров на графике обычно откладывают процент светопропускания как функцию ` или 
Таким образом, наибольший интерес представляют следующие характеристики спектра: число максимумов (число
полос поглощения) и их положение по шкале длин волн (или частот), высота максимуума, форма полос поглощения.
Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок,
и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная
решетка.
Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в
часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется
ширма с узкой щелью, а на другом - собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому
расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на
призму.
Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные
пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается
экран - матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного
изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.
Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба
для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных
аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются и такие прозрачные материалы, как
кварц, каменная соль и другие.
Появление полос поглощения обусловлено дискретностью энергетических состояний поглощающих частиц и квантовой природы электромагнитного излучения. Интенсивно поглощаются кванты света, которые соответствуют энергии возбуждения частицы, которая складывается из энергии вращения частицы как целого, энергии колебания атомов
и движения электронов:
Е = Евр + Екол + Еэл
Вращательную энергию молекул обычно рассматривают с помощью модели жесткого ротатора, который представляет собой две массы, находящиеся одна от другой на фиксированном расстоянии. Возбуждение вращательных уровней
энергии происходит уже при поглощении далекого инфракрасного (ИК) и микроволнового излучения, имеющие длину волны
 > 102 см –1 . В настоящее время чисто вращательные спектры в аналитических целях не используют. Их применяют,
главным образом, для исследования строения молекул, определения межъядерных расстояний.
Полосы, связанные с возбуждением колебательных уровней энергии, расположены в области спектра от 200 .. 300 до
4000 … 5000 см –1
что соответствует энергии квантов от 3 до 60 кДж. Поэтому, при обычных температурах, энергетическое состояние
молекул характеризуется, как правило, основным колебательным уровнем. Применение квантовой теории показывает, что энергия такой системы может быть найдена по уравнению:
Екол = (V+1/2)h0
Так вот, колебательные спектры интерпретируют на основе учения о симметрии молекул и теории групп. Математический аппарат теории групп позволяет вычислить число частот и правила отбора для молекул различной симметрии.
Такая информация, чрезвычайно ценная для определения молекулярных констант, изучения строения молекул, находит относительно узкое применение для решения химико-аналитических задач.
Верхней энергетической границей колебательного спектра обычно считают энергию фотонов примерно 5000 см -1,
или около 60 кДж. Дальнейшее увеличение энергии облучающих квантов чаще всего будет приводить к возбуждению
электронов и появлению в спектре полос, характеризующих электронные переходы, хотя, естественно, эта граница
может смежаться немного в ту или иную сторону. Интерпретация электронных спектров может быть сделана на основе квантово-механических представлений, например метода молекулярных орбиталей (МО). В соответствии с поло-
жениями этого метода, электроны в молекулах могут находиться на связывающих, несвязывающих и разрыхляющих
орбиталях. Различные электронные переходы требуют неодинаковой энергии, поэтому полосы поглощения располагаются на разных длинах волн.
Интенсивность полос в спектре поглощения характеризуют интегралом поглощения или силой осциллятора, определяемой выражением:
 = 3hmB / e2
где B – коэффициент Эйнштейна,
характеризующий вероятность перехода. Коэффициент Эйнштейна связан с электрическим дипольным моментом перехода и может быть рассчитан по уравнению:
B=K/

  ( )d
0
и соотношение данных уравнений позволяет вывести зависимость в интегральной форме:
 = 4,33*10-9

  ( )d
0
Данное соотношение показывает, что чем более вероятным является переход, тем больше сила осциллятора. В частности, разрешенные переходы характеризуются величиной  которая близка к 1, как это наблюдается у окрашенных
красителей, а у запрещенных переходов, к примеру, у переходов с изменением мультиплетности терма, сила осциллятора составляет примерно 10-7
Для аналитической характеристики соединений имеет значение не столько интегральное поглощение, сколько светопоглощение при определенной длине волны. Важными аналитическими характеристиками является моляльный коэффициент поглощения в точке максимума max и полуширина полосы поглощения  = `1/2
Методы анализа
Методы количественного анализа основаны на законе Бугера-Ламберта-Бера, выраженном уравнением:
-lgT= - lgl/l0 = lg l0/l = A
В связи с тем, что значения коэффициента пропускания Т находятся в пределах от 0 до 1, оптическая плотность раствора А = -lgT
может принимать, как казалось бы, любые положительные значения от нуля до бесконечности. Однако, экспериментальному определению с необходимой точностью доступны далеко не любые значения А. Так, значения А меньше
0.01 не определяются в связи с очень большой погрешностью из измерения. Уравнение показывает, что основными
параметрами фотометрического определения является длина волны, при которой производится измерение, оптическая плотность, толщина кюветы, концентрация раствора. Существенное влияние оказывают химические факторы,
связанные с полнотой протекания фотометрической реакции, концентрацией окрашенных реактивов, их устойчивостью. В зависимости от свойств анализируемого прибора выбирают те или иные условия анализа.
Метод градуировочного графика.
В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера график в координатах оптическая плотность – концентрация должен
быть линейным и прямая должна проходить через начало координат. И для построения графика вполне достаточно
одной экспериментальной точки. Но, график обычно строят по трем точкам, что уточняет график и повышает точность и надежность определения. При отклонении от закона Бугера-Ламберта-Бера, сиречь при нарушении линейной
зависимости А от с, число точек на графике должно быть увеличено. Применение градуировочных графиков является
наиболее распространенным и точным методом фотометрических измерений. Основные ограничения метода связаны
с трудностями приготовления эталонных растворов и учетом влияния третьих компонентов, которые находятся в
пробе, сами не определяются, но оказывают влияние на конечный результат.
Метод добавок.
Этот метод применяют при анализе растворов сложного состава, так как он позволяет автоматически учесть влияние
третьих компонентов. Сущность его заключается в следующем. Сначала определяют оптическую плотность А х анализируемого раствора, содержащего определяемый компонент неизвестной концентрации с х, а затем в анализируемый
раствор добавляют известное количество определяемого компонента ( с ст ) и вновь измеряют оптическую плотность
Ах+ст. Оптическая плотность анализируемого раствора равна:
Ах = lcx
а оптическая плотность анализируемого раствора с добавкой стандартного:
Ах+ст = l (cx + сст )
Метод дифференциальной фотометрии.
Фотометрирование интенсивно окрашенных растворов успешно осуществляется дифференциальной фотометрии. Если в обычной фотометрии сравнивается интенсивность света I x, прошедшего через анализируемый раствор неизвестной концентрации, с интенсивностью света I 0 , прошедшего через растворитель, то в дифференциальной фотометрии
луч света проходит не через растворитель, а через окрашенный раствор известной концентрации – так называемый
раствор сравнения сср. Его интенсивность обозначим как Iср. Отношение интенсивностей Ix/Iср называется условным
коэффициентом пропускания T`x . И переходя от коэффициентов к оптическим плотностям, получим:
A`x = Ax – Aср
А`х = lcx - Аср
где А`x – относительная оптическая плотность.
Таким образом, дифференциальная фотометрия существенно расширяет концентраций, доступную для точных фотометрических измерений. Кроме того, точность некоторых методик дифференциальной фотометрии превышает точность методик обычной фотометрии. Кстати, обычную фотометрию при Тср = 1 мы можем рассматривать, как частный случай дифференциальной.
Метод количественного анализа по ИК-спектрам.
Анализ по ИК-спектрам также основан на применении закона Бугера-Ламберта-Бера.. Чаще всего здесь используется
метод градууировочного графика, т.к. метод молярного коэффициента здесь слабо применим из-за рассеяния, сплошного поглощения и других эффектов ИК-излучения. Многие сложности ИК-спектрометрии успешно преодолеваются
с помощью метода базовой линии, который получил достаточно большое распространение в практике.
Экстракционно – фотометрические методы.
Эти методы применяют в аналитической химии очень даже широко, причем определение анализируемого компонента
в экстракте может производиться как фотометрическим, так и другим методом: полярографическим, спектральным.
Вместе с тем существуют некоторые группы экстракционных методов, в которых фотометрическое окончание является наиболее эффективным, обеспечивая необходимую быстроту и точность определения. Эти методы называются
экстракционно-фотометрическими. Весьма распространенной является методика, по которой определенный микроэлемент переводят в растворимое в воде окрашенное соединение, экстрагируют его и экстракт фотомоделируют. Такая методика позволяет устранить мешающее влияние посторонних компонентов и увеличивает чувствительность
определения, так как при экстракции происходит концентрирование микропримесей. Например, определение примесей железа в солях кобальта или никеля проводят экстракцией его тиоцаинатных комплексов амиловым спиртом.
Фотометрическое титрование.
В этом методе точка эквивалентности определяется с помощью фотометрических измерений. В ходе такого титрования измеряется светопоглощение раствора. Реализация данного метода возможна, если только есть подходящий индикатор или хотя бы один из компонентов реакции поглощает свет.
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 аналитическом контроле окружающей среды и решении экологических проблем. Значительно расширились области практического применения методов абсорбцион-
ной 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.
ИК-спектрометрия
Инфракрасные спектры поглощения, отражения или рассеяния несут чрезвычайно богатую информацию о составе и
свойствах пробы. Сопоставляя ИК спектр образца со спектрами известных веществ, можно идентифицировать неизвестное вещество, определить основной состав пищевых продуктов, полимеров, обнаружить примеси в атмосферном
воздухе и газах, провести фракционный или структурно-групповой анализ. Методом корреляционного анализа по ИК
спектру пробы также можно определить его физико-химические или биологические характеристики, например всхожесть семян, калорийность пищевых продуктов, размер гранул, плотность и т.д. В современных приборах ИК спектр
определяется сканированием по сдвигу фаз между двумя частями разделенного светового пучка (Фурьеспектрометрия). Этот метод дает значительный выигрыш в фотометрической точности и точности отсчета длины
волны.
Mетод БИК-спектроскопии:
В основе анализа лежит связь инфракрасного спектра поглощения и состава образца. Местоположение полос в спектре поглощения несет информацию о качественном составе образцов, а интенсивность полос – о концентрации соответствующего компонента.
Для количественного анализа образца необходимо знать зависимость между интенсивностью поглощения и концентрацией компонента или свойством образца.
Предварительное определение зависимости между показателем поглощения (пропускания) и концентрацией компонента или свойством образца называется калибровкой. Под проведением калибровки понимают регистрацию спектров партии образцов с известными концентрациями компонентов или известными свойствами. По этим данным рассчитывается калибровочная модель, которая связывает содержание определяемого компонента с результатом спектрального анализа и позволяет по спектру поглощения количественно определить интересующий компонент.
Для проведения калибровки отбирается набор образцов, представительный к тем образцам, которые будут в дальнейшем анализироваться. Калибровочный набор включает образцы, свойства которых охватывают весь диапазон возможных значений определяемых компонентов и свойств анализируемых образцов. Калибровочные образцы анализируются стандартными химическими (референтными) методами для определения в них концентраций компонентов
или свойств.
Производится регистрация спектров образцов калибровочного набора и рассчитывается калибровочная модель, связывающая спектральные данные со свойствами образца. Для расчета модели используются методы мультивариантной
математики, например, метод регрессии по основным компонентам, метод дробных наименьших квадратов, множественная линейная регрессия.
Определенная калибровочная модель применяется для анализа образцов, свойства которых укладываются в диапазон
значений концентраций и свойств обучающего набора. Если рассчитанные значения определяемых параметров попадают в диапазон значений концентраций и свойств калибровочного набора, то эти значения получены интерполяцией
калибровочной модели. Если значения определяемых компонентов лежат вне диапазона значений концентрации
свойств калибровочного набора, необходимо либо провести докалибровку, либо провести анализ методом экстраполяции, что приводит к увеличению погрешности анализа. Погрешность анализа зависит от погрешности спектрального анализа и погрешности, связанной с построением калибровочной модели.
Инфракрасная спектроскопия занимается главным образом изучением молекулярных спектров, так как в ИКобласти расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Инфракрасная спектроскопия
наиболее широкое распространение получило исследование ИК-спектров поглощения, которые возникают в результате поглощения ИК-излучения при прохождении его через вещество. Это поглощение носит селективный характер и
происходит на тех частотах, которые совпадают с некоторыми собственными частотами колебаний атомов в молекулах вещества и с частотами вращения молекул как целого, а в случае кристаллического вещества — с частотами колебаний кристаллической решётки. В результате интенсивность ИК-излучения на этих частотах резко падает — образуются полосы поглощения Количественная связь между интенсивностью I прошедшего через вещество излучения,
интенсивностью падающего излучения Iо и величинами, характеризующими поглощающее вещество, даётся Бугера
— Ламберта — Бера законом. На практике обычно ИК-спектр поглощения представляют графически в виде зависимости от частоты n (или длины волны l) ряда величин, характеризующих поглощающее вещество: коэффициента
пропускания T (n) = I (n)/I0(n); коэффициента поглощения А(n) = [I0(n) — I (n)]/I0(n) = 1 — Т(n); оптической плотности
D(n) = ln[1/T(n)] = c(n)cl, где c(n) — показатель поглощения, с — концентрация поглощающего вещества, l — толщина поглощающего слоя вещества. Поскольку D(n) пропорциональна c(n) и с, она обычно применяется для количественного анализа по спектрам поглощения.
Основные характеристики спектра ИК-поглощения: число полос поглощения в спектре, их положение, определяемое
частотой n (или длиной волны l), ширина и форма полос, величина поглощения — определяются природой (структурой и химическим составом) поглощающего вещества, а также зависят от агрегатного состояния вещества, температуры, давления и др. Изучение колебательно-вращательных и чисто вращательных спектров методами
Инфракрасная спектроскопия позволяет определять структуру молекул, их химический состав, моменты инерции молекул, величины сил, действующих между атомами в молекуле, и др. Вследствие однозначности связи между строением молекулы и её молекулярным спектром Инфракрасная спектроскопия широко используется для качественного и
количественного анализа смесей различных веществ (например, моторного топлива). Изменения параметров ИКспектров (смещение полос поглощения, изменение их ширины, формы, величины поглощения), происходящие при
переходе из одного агрегатного состояния в другое, растворении, изменении температуры и давления, позволяют судить о величине и характере межмолекулярных взаимодействий.
Инфракрасная спектроскопия находит применение в исследовании строения полупроводниковых материалов, полимеров, биологических объектов и непосредственно живых клеток. Быстродействующие спектрометры позволяют получать спектры поглощения за доли секунды и используются при изучении быстропротекающих химических реакций. С помощью специальных зеркальных микроприставок можно получать спектры поглощения очень малых объектов, что представляет интерес для биологии и минералогии. Инфракрасная спектроскопия играет большую роль в создании и изучении молекулярных оптических квантовых генераторов, излучение которых лежит в инфракрасной области спектра. Методами Инфракрасная спектроскопия наиболее широко исследуются ближняя и средняя области
ИК-спектра, для чего изготовляется большое число разнообразных (главным образом двухлучевых) спектрометров.
Далёкая ИК-область освоена несколько меньше, но исследование ИК-спектров в этой области также представляет
большой интерес, так как в ней, кроме чисто вращательных спектров молекул, расположены спектры частот колебаний кристаллическихрешёток полупроводников, межмолекулярных колебаний и др.
В ИК области проявляются переходы между колебат. и вращат. уровнями. Среди частот колебаний молекул выделяют т. наз. характеристические, к-рые практически постоянны по величине и всегда проявляются в спектрах хим. соед.,
содержащих определенные функц. группы (вследствие чего эти частоты иногда называют групповыми; см. табл. на
форзаце 2-го тома). Теория колебаний сложных молекул позволяет расчетным путем предсказать колебат. спектр соединений, т. е. определить частоты и интенсивности полос поглощения.
Колебат. спектры молекул чувствительны не только к изменению состава и структуры (т.е. симметрии) молекул , но
и к изменению разл. физ. и хим. факторов, напр. изменению агрегатного состояния в-ва, т-ры, природы р-рителя, концентрации исследуемого в-ва в р-ре, разл. взаимод. между молекулами в-ва (ассоциация, полимеризация , образование водородной связи, комплексных соед., адсорбция и т. п.). Поэтому ИК спектры широко используют для исследования, качеств. и количеств. анализа разнообразных в-в.
В ближней ИК области (10000-4000 см-1, или 1-2,5 мкм), где расположены обертоны и составные частоты осн. колебаний молекул, полосы поглощения имеют интенсивность в 10 2-103 раз меньше, чем в средней ИК области (4000-200
см-1). Это упрощает подготовку образцов, т.к. толщина поглощающего слоя м. б. достаточно большой (до неск. мм и
более). Эксперим. техника для работы в этой области относительно проста. Однако чувствительность и селективность
определения отдельных соед. невелики. Тем не менее высокое отношение сигнал:шум (до 10 5) создает хорошие условия для количеств. анализа при содержании определяемого соед. ок. 1% и выше. Подобные анализы выполняются за 1
мин. В дальней ИК области (200-5 см-1) могут наблюдаться чисто вращат переходы.
Интенсивность полосы поглощения молекулы определяется вероятностью соответствующего электронного (или колебательного) перехода. Для х
бсорбционная спектроскопия), определяемый, согласно закону Бугера-Ламберта— lgT=
— lg(I/I0), T-пропускание, I0 и I-интенсивности соотв. падающего и прошедшего через в-во излучения, С-молярная
5
концентрация в-ва, поглощающего излучение, l, в ИК
3
(л/моль·см). Закон Бугера-Ламберта-Бера лежит в основе количеств. анализа по спектрам поглощения.
Для измерения спектров используют спектральные приборы-спектрофотометры, осн. части к-рого: источник излучения, диспергирующий элемент, кювета с исследуемым в-вом, регистрирующее устройство. В качестве источников излучения применяют дейтериевую (или водородную) лампу (в УФ области) и вольфрамовую лампу накаливания или
галогенную лампу (в видимой и ближней ИК областях). Приемниками излучения служат фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотоэлементы (фоторезисторы на основе PbS). Диспергирующими элементами прибора являются призменный монохроматор или монохроматор с дифракц. решетками. Спектр получают в графич. форме, а в приборах со
встроенной мини-ЭВМ-в графической и цифровой формах. Графически спектр регистрируют в координатах: длина
волны (нм) и(или) волновое число (см-1)-пропускание (%) и(или) оптич. плотность. Осн. характеристики спектрофотометров: точность определения длины волны излучения и величины пропускания, разрешающая способность и светосила, время сканирования спектра. Мини-ЭВМ (или микропроцессоры) осуществляют автоматизир. управление
прибором и разл. мат. обработку получаемых эксперим. данных: статистич. обработку результатов измерений, логарифмирование величины пропускания, многократное дифференцирование спектра, интегрирование спектра по разл.
программам, разделение перекрывающихся полос, расчет концентраций отдельных компонентов и т. п. Спектрофотометры обычно снабжаются набором приставок для получения спектров отражения, работы с образцами при низких
и высоких т-рах, для измерения характеристик источников и приемников излучения и т.п.
Для исследования спектров в ИК области используют обычно спектрофотометры, работающие в интервале от 1,0 до
50 мкм (от 10000 до 200 см-1). Осн. источниками излучения в них являются стержень из кароида кремния (глобар),
штифт из смеси оксидов циркония, тория и иттрия (штифт Нернста) и спираль из нихрома. Приемниками излучения
служат термопары (термоэлементы), болометры, разл. модели оптико-акустич. приборов и пироэлектрич. детекторы,
напр. на основе дейтерированного триглицинсульфата (ТГС). В спектрофотометрах, сконструированных по "классич." схеме, в качестве диспергирующих элементов применяют призменный монохроматор или монохроматор с дифракц. решетками. С кон. 60-х гг. 20 в. выпускаются ИК фурье-спектрофотометры (см. Фурье-спектроскопия), к-рые
обладают уникальными характеристиками: разрешающая способность-до 0,001 см-1, точность определения волнового
-8
числа v-до 10-4 см-1
), время сканирования спектра может достигать 1 с, отношение
5
сигнал:шум превышает 10 . Эти приборы позволяют изучать образцы массой менее 1 нг. К ним также имеются разл.
приставки для получения спектров отражения, исследования газов при малых или высоких давлениях, разных т-рах и
т. п. Встроенная в прибор мини-ЭВМ управляет прибором, выполняет фурье-преобразования, осуществляет накопление спектров, проводит разл. обработку получаемой информации.
ИК фурье-спектрофотометры могут содержать программы по автоматич. идентификации образца неизвестного состава и определению содержания примесей, напр. в полупроводниковых материалах.
С. широко применяют для исследования орг. и неорг. в-в, для качеств. и количеств. анализа разл. объектов (в частности, природных), для контроля технол. процессов. Так, разработаны спектрофотометрич. методы определения в р-рах
Сu и Rb (пределы обнаружения 3·10-6% по массе), Со (2,5 · 10 -5 % по массе), Hf и Zr (0,5 мкг/мл); V (0,2 мкг/мл), гликозидов (0,05 мкг), белков (0,2 мкг/мл), тимола (1-2 мкг/мл); в атмосфере можно определить СО, оксиды азота, этилен, О3, NH3, CH4 с пределами обнаружения ~ 10-7% по массе.
Масс - спектрометрия
Масс-спектрометрия — это физический метод, основанный на измерении массы заряженных частиц материи, используется для анализа вещества в течение почти 100 лет начиная с основополагающих опытов Томсона в
1912 году.
Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение
энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества. Массспектрометрия измеряет их массы, вернее отношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Масс-спектр — это просто рассортировка заряженных частиц по отношениям массы к заряду. Так как большинство небольших органических молекул при ионизации
приобретает только один заряд, то для упрощения говорят о разделении веществ по массе. Важным исключением из
этого правила являются белки, нуклеиновые кислоты и другие полимеры, которые способны приобретать множественные заряды.
Атомы химических элементов имеют специфическую массу. Таким образом, точное определение массы
анализируемой молекулы, позволяет определить её элементный состав (см. элементный анализ). Масс-спектрометрия
также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул (см. изотопный анализ).
В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами. Природа и человек создали поистине неисчислимое многообразие органических соединений. Современные
масс спектрометры способны фрагментировать детектируемые ионы и определять массу полученных фрагментов.
Таким образом, можно получать данные о структуре вещества.
Принцип работы и устройство масс-спектрометра
Источники ионов
Первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, превратить нейтральные молекулы и
атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. Вторым необходимым условием является перевод ионов в газовую фазу в вакуумной части масс спектрометра. Глубокий вакуум
обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеются и
рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы).
Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.
Газовая фаза:
 электронная ионизация
 химическая ионизация
Жидкая фаза:
 термоспрей
 ионизация при атмосферном давлении
o электроспрей (ESI)
o химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)
o фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)
Твердая фаза:
 матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI)
 бомбардировка быстрыми атомами (FAB)
В неорганической химии для анализа элементного состава применяются жесткие методы ионизации, так
как энергии связи атомов в твердом теле гораздо больше и значительно более жесткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы.
 ионизация в индуктивно-связанной плазме
 термоионизация или поверхностная ионизация
 ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация (см. искровой разряд)
 ионизация в процессе лазерной абляции
Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. К сожалению, очень многие
органические вещества невозможно испарить, то есть перевести в газовую фазу, без разложения. А это значит, что их
нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти все, что составляет живую ткань (белки, ДНК
и т. д.), физиологически активные вещества, полимеры, то есть все то, что сегодня представляет особый интерес.
Масс-спектрометрия не стояла на месте и последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких
органических соединений. Сегодня используются, в основном, два из них — ионизация при атмосферном давлении и
её подвиды — электроспрей (ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизация при
атмосферном давлении (APPI), а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).
Масс-анализаторы
Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там
начинается второй этап масс- спектрометрического анализа — сортировка ионов по массам (точнее по отношению
массы к заряду, или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов:
непрерывные масс-анализаторы:
 Магнитный масс-анализатор
 Масс-анализатор со скрещенными магнитным и электростатическим полями
 Квадрупольный масс-анализатор
импульсные масс-анализаторы:
 Время-пролетный масс-анализатор
 Ионная ловушка
 Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием
Разница между непрерывными и пульсовыми масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы
поступают непрерывным потоков, а во вторые — порциями, через определенные интервалы времени.
Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным.
Тандемные масс спектрометры применяются, как правило, вместе с 'мягкими' методами ионизации, при которых не
происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом первый масс-
анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространенными конфигурациями тандемных масс спектрометров
являются квадруполь--квадрупольная и квадруполь--время-пролетная.
Детекторы
Итак, последним элементом описываемого нами упрощенного масс-спектрометра, является детектор заряженных частиц.
Первые масс-спектрометры использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются диодные вторичноэлектронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него ещё большее количество электронов и т. д. Другой вариант — фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора. Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку
пространства (коллекторы Фарадея). Заинтересованный читатель может обратиться к подробностям детектирования ионов в
специальной литературе, мы же не будем останавливаться на этом более подробно.
Хромато-масс-спектрометрия
Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений .
Органические вещества в большинстве случаев представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (то есть, 400 индивидуальных органических
соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить сколько компонентов составляют органическое вещество,
узнать какие это компоненты (идентифицировать их) и узнать сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого
идеальным является сочетание хроматографии с масс-спектрометрией. Газовая хроматография как нельзя лучше подходит для
сочетания с ионным источником масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический
детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами ("Хромасс").
Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют
источники ионизации в электроспрее (ESI) и химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС или LC/MS по-английски. Самые мощные системы для
органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают
по принципу ионно-циклотронного резонанса. Они также носят название FT/MS, поскольку в них используется Фурье преобразование сигнала.
Характеристики масс-спектрометров и масс-спектрометрических детекторов
Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, Динамический диапазон, разрешение, скорость сканирования.
Важнейшая характеристика при анализе органических соединений — это чувствительность. Для того, чтобы достигнуть как
можно большей чувствительности при улучшении отношения сигнала к шуму прибегают к детектированию по отдельным
выбранным ионам. Выигрыш в чувствительности и селективности при этом колоссальный, но при использовании приборов
низкого разрешения приходится приносить в жертву другой важный параметр — достоверность. Ведь если Вы записывали
только один пик из всего характеристического масс-спектра, Вам понадобится ещё много поработать, чтобы доказать, что
этот пик соответствует именно тому компоненту, который Вас интересует. Как же разрешить эту проблему? Использовать
высокое разрешение на приборах с двойной фокусировкой, где можно добиться высокого уровня достоверности не жертвуя
чувствительностью. Или использовать тандемную масс-спектрометрию, когда каждый пик, соответствующий одиночному
иону можно подтвердить масс-спектром дочерних ионов. Итак, абсолютным рекордсменом по чувствительности является
органический хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой.
По характеристике сочетания чувствительности с достоверностью определения компонентов следом за приборами высокого
разрешения идут ионные ловушки. Классические квадрупольные приборы нового поколения имеют улучшенные характеристики благодаря ряду инноваций, примененных в них, например, использованию искривленного квадрупольного префильтра,
предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор и, следовательно, снижению шума.
Применения масс-спектрометрии
Разработка новых лекарственных средств для спасения человека от ранее неизлечимых болезней и контроль производства
лекарств, генная инженерия и биохимия, протеомика. Без масс-спектрометрии немыслим контроль над незаконным распространением наркотических и психотропных средств, криминалистический и клинический анализ токсичных препаратов, анализ взрывчатых веществ.
Выяснение источника происхождения очень важно для решения целого ряда вопросов: например, определение происхождения взрывчатых веществ помогает найти террористов, наркотиков — бороться с их распространением и перекрывать пути их
трафика. Экономическая безопасность страны более надежна, если таможенные службы могут не только подтверждать анализами в сомнительных случаях страну происхождения товара, но и его соответствие заявленному виду и качеству. А анализ
нефти и нефтепродуктов нужен не только для оптимизации процессов переработки нефти или геологам для поиска новых
нефтяных полей, но и для того, чтобы определить виновных в разливах нефтяных пятен в океане или на земле.
В эпоху «химизации сельского хозяйства» весьма важным стал вопрос о присутствии следовых количеств применяемых химических средств (например, пестицидов) в пищевых продуктах. В мизерных количествах эти вещества могут нанести непоправимый вред здоровью человека.
Целый ряд техногенных (то есть не существующих в природе, а появившихся в результате индустриальной деятельности человека) веществ являются супертоксикантами (имеющими отравляющее, канцерогенное или вредное для здоровья человека
действие в предельно низких концентрациях). Примером является хорошо известный диоксин.
Существование ядерной энергетики немыслимо без масс-спектрометрии. С её помощью определяется степень обогащения
расщепляющихся материалов и их чистота.
Конечно и медицина не обходится без масс-спектрометрии. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется
для прямой медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter pylori и является самым надежным из всех
методов диагностики. Также, масс-спектрометрия применяется для определения наличия допинга в крови спортсменов.