Практическое применение спектрального анализа

Абсорбционный С. а. основан на измерении поглощения атомным паром светового потока, испускаемого источником дискретного излучения (обычно лампой с полым катодом). Приборы, работающие по данному принципу, получили название атомно-абсорбционных спектрофотометров (см. Спектрофотометрия).

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ (лат. spectrum представление, видение + греч. analysis освобождение, разложение) — физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного состава вещества, изучения его структуры и характера внутримолекулярных связей. Различные виды

C. а. широко используются в практике медико-биологических исследований, и в частности для определения в различных биол. жидкостях содержания белков, нуклеиновых к-т, витаминов и других веществ.

С. а. основан на спектроскопии атомов и молекул и проводится путем изучения их спектров (см. Спектроскопия). Различают С. а. атомный (АСА), молекулярный (MCA), эмиссионный и абсорбционный. С помощью АСА определяют элементный состав образца по атомным (ионным-спектрам испускания и поглощения) MCA позволяет определять молекулярный состав вещества по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции, комбинационному рассеянию света. Эмиссионный С. а. основывается на анализе спектров испускания атомов, ионов и молекул, возбужденных различными способами, а абсорбционный С. а.— на анализе спектров поглощения электромагнитного излучения объектами исследования (атомами, молекулами, ионами вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях).

В биологии и медицине чаще используют эмиссионный и абсорбционный С. а. Пробу анализируемого материала тем или иным способом вводят в так наз. атомизатор — устройство, обеспечивающее испарение твердых или жидких проб и диссоциацию соединений на атомы (ионы). В эмиссионном С. а. атомы (ионы) пробы переводятся в возбужденное состояние, их излучение в спектральном приборе преобразуется в спектр, к-рый и регистрируется (см. Молекула). О наличии в пробе атомов того или иного элемента судят по появлению в спектрограммах аналитических линий этого элемента. При количественном АСА сравнивают интенсивности двух спектральных линий в спектре пробы, одна из к-рых принадлежит определяемому элементу, а другая, называемая обычно линией сравнения,— основному элементу пробы, концентрация к-рого должна быть известна, или специально вводимому в пробу элементу известной концентрации («внутренний стандарт»). Для количественной оценки строят градуировочные графики, отражающие зависимость интенсивности анализируемой спектральной линии от концентрации исследуемого элемента в наборе эталонных проб.

Для возбуждения излучения в эмиссионном С. а. используют дугу постоянного или переменного электрического тока, искровой разряд, пламя и пр. Важной в практическом отношении разновидностью эмиссионного С. а. является пламенная фотометрия (см.).

Абсорбционный С. а. основан на измерении поглощения атомным паром светового потока, испускаемого источником дискретного излучения (обычно лампой с полым катодом). Приборы, работающие по данному принципу, получили название атомно-абсорбционных спектрофотометров (см. Спектрофотометрия).

При проведении MCA осуществляют качественное и количественное сравнение спектра исследуемого образца со спектрами индивидуальных веществ. В мед.-биол. исследованиях наибольшее распространение получил С. а. молекулярных спектров поглощения в инфракрасной (ИК), ультрафиолетовой и видимой областях спектра. В ряде случаев MCA комбинируют с другими методами идентификации веществ, напр, с хроматографическими (см. Хроматография).

MCA в ИК-области спектра связан с изучением спектров поглощения, обусловленных основными колебаниями почти всех группировок, встречающихся в органических соединениях. Молекулы, имеющие одинаковые структурные элементы (группы), обнаруживают общие черты в ИК-спектрах поглощения, например группа С=0 соответствует полосе 5,49—6,17 мкм (1820— 1620 см-1), SH-группа — 3,90— 3,88 мкм (2565—2575 см~х), CN-группа — 4,54—4,35 мкм (2200— 2300 см~г) и т. д. Присутствие таких характеристических полос в колебательных спектрах различных веществ позволяет установить наличие определенных функциональных групп и во многих случаях определить структурный тип вещества. Интерпретация спектров органических соединений, основанная на характеристических частотах групп, является в значительной мере эмпирической и связана с тщательным сравнением многих спектров, поскольку на них сильно влияют межмолекулярные взаимодействия и многие внутримолекулярные факторы.

MCA в видимой и УФ-областях спектра, так же как и ИК-спектроскопия, может служить для идентификации тех или иных хим. соединений. Наибольшее применение MCA находит при количественном анализе, выявлении структурных параметров макромолекул, а также при анализе течения нек-рых хим. реакций. Поглощение света сложными органическими соединениями определяется наличием в них определенных хим. группировок, напр, содержащих двойные связи (олефины, диены, полиены) или тройные связи (полиины и енины). Интенсивно поглощают свет в видимой и УФ-областях спектра карбонильные и ароматические группировки. По мере усложнения структуры молекулы (увеличения длины цепочки, числа сопряженных двойных связей) максимум поглощения, как правило, сдвигается в длинноволновую область спектра. Спектр поглощения хромофоров, обусловленный в первую очередь их хим. структурой, зависит также от величины pH, полярности растворителя или свойств близлежащих молекул. Иногда для целей биол. исследований в структуру изучаемой молекулы вводят дополнительный хромофор («репортерную» группу), отличающийся в спектральном отношении от остальных частей молекулы.

MCA — один из ведущих методов в практике биол. исследований. Он широко используется для определения содержания в биол. жидкостях различных ионов, измерения концентрации белков, нуклеиновых к-т, витаминов, ферментов и т. д.

Важной в практическом отношении разновидностью MCA является люминесцентный С. а. (см. Люминесценция). С помощью спектрального люминесцентного анализа, т. е. в результате определения параметров флюоресценции (см.) и фосфоресценции (см.), можно получить сведения о концентрации и конформации молекул, их взаимодействии с растворителем и пр. Люминесцентный метод анализа благодаря его высокой чувствительности используют для выявления и локализации в живых клетках таких веществ, к-рые невозможно обнаружить обычными методами.

Библиография: Гусинский М. Н. и Лобачев К. И. Состояние и тенденции развития атомно-абсорбционной спектрофотометрии, М., 1975; Карякин А. В. и Грибовская И. Ф. Эмиссионный спектральный анализ объектов биосферы, М., 1979, библиогр.; Прайс В. Дж. Аналитическая атомноабсорбционная спектроскопия, пер. с англ., М., 1976; Райхбаум Я. Д. Физические основы спектрального анализа, М., 1980, библиогр.; Тарасов К. И. Спектральные приборы, Л., 1977; Фрайфелдер Д. Физическая биохимия, пер. с англ., М., 1980.

Практическое применение спектрального анализа

Спектральный анализ широко используется в различных отраслях промышленности и науки, и служит универсальным инструментом, который позволяет точно и оперативно исследовать элементный состав вещества. Эта информация необходима для правильного ведения технологических процессов, контроля качества исходных материалов, промежуточного и готового продуктов, а также позволяет создавать новые материалы с заданными качествами.

Современные спектральные приборы постоянно совершенствуются в соответствии с возрастающими требованиями к точности и чувствительности. В связи с разработкой и внедрением новых технологий создаются спектрометры, которые обеспечивают необходимую производительности и возможность автоматизации процесса анализа.

Понятие о спектральном анализе

Спектральный анализ – совокупность методов анализа химического состава веществ, в основе которого лежит исследование спектров испускания, поглощения, отражения и люминесценции. При этом используется основное свойство спектров: длина волны или частота – индивидуальный параметр, который соответствует только определенному атому исследуемого вещества, и не зависит от источника возбуждения.

Метод отличается высокой чувствительностью, точностью и простотой, что делает его универсальным, и обуславливает его широкое распространение в промышленности.

Виды спектрального анализа

В основе спектральных методов лежат такие процессы:

• Абсорбция. При взаимодействии вещества с электромагнитным излучением происходит его частичное поглощение.
• Люминесценция. При возбуждении частиц вещества под воздействием внешнего излучения происходит испускание излучения, имеющего другую частоту.
• Эмиссия. При воздействии источника возбуждения вещество переходит в состояние плазмы и испускает излучение.
• Рассеяние. Процесс происходит при падении электромагнитного излучение на исследуемый образец.

В зависимости от процесса, который находится в основе принципа действия, спектральные методы анализа подразделяются на следующие виды:

• Абсорбционный.
• Люминесцентный.
• Эмиссионный.
• Комбинационный.

Эмиссионный спектральный анализ

Наибольшее распространение получил оптический эмиссионный спектральный атомный анализ (ОЭСА). Этот мощный инструмент позволяет решать различные по сложности аналитические задачи.

Оптико-эмиссионные спектральные приборы обладают высокой избирательностью, позволяют исследовать различные вещества с высокой скоростью, чувствительностью и точностью. При этом расход анализируемого вещества крайне мал.

• возможность исследования химического состава образца в любом агрегатном состоянии;
• подготовка пробы отличается простотой, а в некоторых случаях не требуется вовсе;
• высокая скорость проведения анализа позволяет автоматизировать процесс;
• анализ одного образца можно проводить многократно;
• высокая точность результатов анализа и избирательность;
• простота эксперимента и относительно невысокая стоимость;
• возможность проведение исследований, как в полевых, так и лабораторных условиях.

Область применения

Атомный спектральный анализ находит широкое практическое применение по сравнению с другими методами спектрального анализа. Он используется для исследования самых разнообразных объектов, а при анализе металлов и сплавов значение ОЭСА трудно переоценить.

С помощью эмиссионной спектрометрии решаются целый ряд аналитических задач:

• Исследование химического состава сплава при ведении плавки металла.
• Анализ готовых изделий с целью определения марки, состава, примесей.
• Контроль качества на всех стадиях производства.
• Контроль качества исходного материала.
• Экологический мониторинг состояния окружающей среды.
• Изучение химического состава геологических объектов.

Экология

Перед экологами стоят разнообразные задачи, среди которых особое место занимают определение соединений, загрязняющих почву, атмосферу и водный бассейн. Экологический мониторинг необходим для предотвращения угрозы жизни и здоровью людей, и окружающей среде, поэтому точность и скорость получения результатов анализа – наиболее важные требования, предъявляемые к анализаторам.

Эмиссионные спектрометры – универсальные приборы, которые способны исследовать не только металлические, но и токонепроводящие пробы. С их помощью можно исследовать вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях и формах. Диапазон спектральных линий охватывает все интересующие элементы, в том числе C, S, P, O, H и щелочно-земельные элементы.

Геология

Спектральный анализ дает возможность анализировать химический состав руд и минералов. С его помощью изучаются условия их образования, что позволяет целенаправленно проводить геологическую разведку для поиска новых месторождений.

Технология обогащения рудных и нерудных материалов требует тщательного контроля качества на всех стадиях процесса. Использование спектральных приборов делают это возможным, так как обеспечивается необходимая производительность и точность результатов анализа.

Кроме этого, спектральный анализ используется для изучения метеоритного материала. Это дает возможность сделать практические выводы о составе космических объектов.

Металлургия

Значение атомно-эмиссионного анализа в металлургической промышленности очень велико, так как этот метод дает ряд преимуществ. С помощью спектральных приборов решается большинство аналитических задач:

• Определение марки стали.
• Анализ углерода, серы и фосфора в сплаве.
• Анализ неметаллических включений и примесей.
• Анализ чистых металлов и сложных сплавов.
• Сертификационный анализ.

Эмиссионные приборы широко используются для сортировки и анализа состава металлического лома, который служит сырьем для получения стали. Спектральный анализ незаменим при ведении плавки, так как позволяет оперативно получить информацию о химическом составе сплава. С его помощью решаются, как рутинные задачи, так и сложные проблемы, связанные с получением новых материалов с заданными свойствами.

Машиностроение

Исходными материалами металлообрабатывающих предприятий служат заготовки, полученные путем литья и в результате обработки металлов давлением (поковки и металлопрокат). Организовать входящий контроль без определения химического состава заготовок невозможно, а пренебрежение этим технологическим этапом может стать причиной неисправимого брака и экономическими потерями.

Атомно-эмиссионные спектрометры – оптимальный вариант приборов для машиностроения, которые дают возможность получать точную информацию о химическом составе материала или марке стали в кратчайшие сроки. Портативные модели позволяют проводить исследования в полевых условиях, и не требуют наличия у оператора специальных знаний и особых умений, а стационарные приборы решают аналитические задачи любой сложности.

Возможности оптико-эмиссионных приборов не ограничиваются указанными выше областями промышленности, и позволяют использовать их во многих сферах жизнедеятельности человека. Конструкция и методы исследования постоянно совершенствуются, что позволяет им соответствовать уровню развития науки и технологии, и иметь оптимальные технико-экономические показатели.

Azərbaycan Milli Elmlər Akademiyası

– təkrar emal məhsullarından (katalitik krerinqin ağır qazoylu və ağır piroliz qatranı) səmərəli surətdə istifadə etmək və ekoloji problemlərin həllinə kömək etmək məqsədilə neft lüminoforları (NL) alınmış, onların fiziki-kimyəvi , geniş temperatur intervalında (-196÷300 0

C) spektral-lüminessent xassələri öyrənilmiş və onların elm və texnikanın bir sıra yeni sahələrində tətbiq sahələri müəyyən edilmişlir;

– alınan NL-nın fotokimyəvi- və fotofiziki xassələri tədqiq edilmiş, onlarda müxtəlif növ şüaların təsiri altında əmələ gələn məhsullar (həmçinin, radikallar) aşkar edilmiş, foto- və radiasiya şüalarının, temperaturun təsiri ilə gedən çevrilmələrin mərhələləri aşkar edilmiş və mexanizmləri verilmişdir;

– İnstitutumuza yeni müasir spektral aparatların alınması və onların imkanlarının (həssaslıqlarının, spektral sahələrinin və s.) nisbətən geniş olması ilə əlaqədar olaraq göstərilən proseslərin daha ətraflı öyrənilməsi və NL-nın tətbiq sahələrinin genişləndirilməsi gözlənilir;

– laboratoriyada digər istiqamət institutumuzda alınan kimyəvi maddələrin strukturunun, öyrənilən proseslərin kinetika və mexanizmlərinin UB-, İQ-,NMR-, EPR- spektroskopiyası və lüminessensiya (foto- və termolüminessensiya) metodları ilə həm kəmiyyət, həm də keyfiyyət baxımından öyrənilməsidir.

2.Qurğuşunun haloid duzlarının birli alifatik aminlərlə komplekslərinin əsasında əvvəlcədən məlum olmayan, görünən və yaxın İQ-spektral sahədə şüalanan və işıqlanmasının kvant çıxımına görə bir çox üzvi lüminoforlardan üstün olan lüminofor sinifləri işlənib hazırlanmışdır.

3. PbBr₂·CH₃NH₂ kompleksi və onun əsasında alınan lüminoforlar ultrabənövşəyi və infraqırmızı lazer şüalarını görünən işığa çevirən maddələr (çeviricilər) kimi təqdim olunmuşdur.

4. Ağır neft qalıqlarının (ANQ) əsasında neft lüminoforlarının alınmasının elmi əsasları işlənib hazırlanmış və müəyyən edilmişdir ki, onlar günəş enerjisinin dönən akkumulyatorları, hidrogen alınmaqla üzvi birləşmələrin fotosensibilizatorları, polimerlər üçün lüminessent boyalar, kapilyar defektoskopiya üçün penetrantlar, dönən fotokimyəvi proseslər üçün fotoxrom materiallardır.

5. Müəyyən edilmişdir ki, neft lüminoforları sintetik lüminoforlardan fərqli olaraq dəyişən lüminessent xassələrə malikdir. ANQ-nın fraksiyalarından göy qurşağının bütün rənglərinə uyğun rəngdə işıqlanması olan lüminoforlar almaq mümkündür.

6. ANQ-da nəinki qatran-asfalten maddələrinə xas olan radikallar, həm də aromatik karbohidrogenlərə aid radikalın (perinaften radikalı) olduğu aşkar edilmişdir. Göstərilmişdir ki,fotoşüanın təsiri altında bu sistemlərdə radikalların generasiyası, həm də onların məhvi baş verir. Perinaften radikallarının fotoxrom xassəsi ilk dəfə olaraq müəyyən edilmişdir.

7. Stabilləşmənin – UB ekranlaşma, molekulların həyəcanlaşmış halının enerjisinin akseptoru və fotokimyəvi reaksiyaların ləngidilməsi mexanizmini özündə birləşdirən qatran-asfalten birləşməsinin neft lüminaforları və digər üzvi birləşmələr üçün universal antioksidant olmaları göstərilmişdir.