Оптическая спектроскопия как метод изучения состава вещества реферат

Обновлено: 05.07.2024

Энергия электронного движения равна нескольким электронвольтам, колебательного — сотым и десятым долям электронвольта, а вращательного — десятитысячным и тысячным долям электронвольта. Такое различие в порядке величины соответствующих энергий приводит к тому, что электронные, колебательные и вращательные спектры различаются по диапазонам длин волн и частот. В спектрах испускания линии данной… Читать ещё >

Спектроскопический метод анализа ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Спектроскопия (от лат. spectrum — представление, образ и …скопим) — раздел физики, посвящённый изучению спектров электромагнитного излучения. Важнейшие области применения спектроскопии — спектральный анализ и астрофизика. Используя методы спектроскопии, исследуют уровни энергии атомов, молекул и образованных из них макроскопических систем, а также квантовые переходы между уровнями энергии, что даст важную информацию о строении и свойствах вещества. С её помощью проводят атомный, изотопный, молекулярный, функциональный (структурно-групповой) и фазовый анализ.

Связь между волновой и корпускулярной природой света описывает уравнение Планка (М. Planck — немецкий физик, 1858 — 1947).

где ЛЕ — изменение энергии элементарной системы в результате поглощения или испускания фотона с энергией /г/; v =

= — - волновое число; h = 6,6262−10 34 Дж с — постоянная Я.

Планка; с = 2,9979- 10 s м/с — скорость света.

Спектры используют для качественного и количественного анализов.

Важнейшими характеристиками любого вещества являются положение (энергии, частоты, длины волн) максимумов линий (полос) в электромагнитном спектре. Они определяются только природой вещества и не зависят от его концентрации, поэтому их используют для идентификации веществ. Важнейший показатель качества спектра при этом — ширина линий (полос). При уширении линий спектра различных компонентов они могут перекрываться, что затрудняет идентификацию веществ. Уширение спектральных линий возникает вследствие теплового движения частиц (доплеровское уширение, С. Doppler — австримский физик и астроном, 1803 — 1853) и их столкновения (лорснцовскос уширснис).

Для количественного анализа используют интенсивность (амплитуду) спектральных линий, которая является функцией концентрации вещества.

Спектроскопия делится на области по различным признакам. По типу оптических явлений различают спектроскопию испускания (эмиссионная и люминесцентная), поглощения и рассеяния. Испускание возбужденных частиц может быть самопроизвольным и вынужденным, происходящим под действием внешнего источника.

По диапазонам длин электромагнитных волн в спектроскопии выделяют:

— радиоспектроскопию, охватывающую область радиоволн, X = = КГ 1 — 10' м;
— субмиллиметровую, Я = 10 3 — 10 1 м;
— оптическую — УФ, видимого диапазона и ПК, X = 10 * - К) 3 м;
— рентгеновскую, X = 10 10 — 10 8 м;
— гамма-спектроскопию, X = КГ 13 — 10 10 м.

Специфика каждой из этих областей спектроскопии основана на особенностях электромагнитных волн соответствующего диапазона и методах получения и исследования спектров.

В соответствии с различием конкретных экспериментальных методов выделяют специальные разделы спектроскопии:

— интерференционную, основанную на применении интерферометров;
— вакуумную;
— лазерную.

По типам исследуемых объектов различают спектроскопию:

— ядерную: а-, /?- и '/-спектроскопия, аналитическая мсссбауэровская спектроскопия;
— атомную, изучающую атомные спектры: атомно-эмиссионная, атомно-флуоресцентная, атомно-абсорбционная;
— молекулярную, исследующую молекулярные спектры, и свойства вещества в конденсированном состоянии: электронная молекулярная абсорбционная спектроскопия (в УФ и видимой областях спектра), ИК спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, микроволновая и люминесцентная спектроскопия;
— кристаллов.

В соответствии с видами движения в молекуле (электронное, колебательное, вращательное) молекулярную спектроскопию делят на электронную, колебательную и вращательную. Аналогично различают электронную и колебательную спектроскопию кристаллов ["https://referat.bookap.info", 16].

Особую область исследований представляет ядерная спектроскопия, в которую включают альфа-, бетаи гаммаспектроскопию. Из них только гамма-спектроскопию относят к спектроскопии электромагнитного излучения.

Спектральная дисперсия (ГОСТ 27 176−86) — явление пространственного разделения потоков излучения разных длин волн.

Спектры испускания и поглощения. Современная спектроскопия базируется на квантовой теории, согласно которой частица вещества (атом, молекула) может находиться только в определённых стационарных состояниях, характеризуемых совокупностью различных физических признаков, — распределением электронной плотности, длинами связей и др. Этим состояниям отвечает некоторая дискретная последовательность энергии Е — энергетических уровней. Если данному значению энергии Е соответствует одно стационарное состояние, то такой энергетический уровень называют невырожденным. Если же указанному значению энергии Е отвечает два или более стационарных состояний, то такой уровень считают вырожденным. Вырождение может сниматься в магнитном и электрическом полях; в результате чего энергетические уровни расщепляются. Состояние с минимальной энергией называют основным, а все остальные состояния — возбуждёнными (рис. 13.1, а).

Линии, возникающие в результате переходов в основное или из основного состояния, и соответствующие переходы называют резонансными.

Спектры, испускаемые термически возбуждёнными частицами, называют эмиссионными (испускания), их даёт светящееся тело.

Спектры испускания нетермически возбуждённых частиц (например, квантами электромагнитного излучения, потоком электронов и т. д. ) принято называть спектрами люминесценции, которые разделяют на спектры флуоресценции и фосфоресценции.

Спектры поглощения (абсорбционные) возникают при обратных энергетических переходах с поглощением энергии излучения, т. е. при прохождении света через поглощающую среду.

Спектральные серии — группы спектральных линий в атомных спектрах, частоты которых подчиняются определённым закономерностям.

Фраунгоферовы линии, линии поглощения в спектре Солнца впервые наблюдал в 1802 году У. Волластон (W.II. Wollaston — английский физик, 1766 — 1828), в 1814 году они были обнаружены и подробно описаны И. Фраунгофером (J. Fraunhofer — немецкий физик, 1787 — 1826), а объяснены Кирхгофом (G.R. Kirchhoff-немецкий физик, 1824- 1887).

Рис. 13.1. Переходы между энергетическими уровнями частицы (а) и спектры сё пропускания (б) и поглощения (в), спектры испускания атомарного водорода (г) и паров натрия (с)), абсорбционные линии в спектре Солнца (е) — фраунгоферовы линии.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

_{Определенная} часть электромагнитного излучения, которую мы условно называем светом (независимо от того, видимый это свет или невидимый) используется для физических и химических исследований, в частности, для качественного (т.е. получения сведений о строении соединений) и количественного анализа. Эта часть электромагнитного излучения используется в тех методах, которые мы называем оптической спектроскопией.

участок спектра электромагнитного излучения, используемый в аналитических целях в методах оптической спектроскопии, показан на рис. F1.

Поглощение света веществом в ультрафиолетовой и видимой областях спектра зависит от электронной структуры молекул. При этом избирательность поглощения световой энергии является большим достоинством метода, так как характеристические группы могут быть определены в молекулах, сложность которых меняется в широких пределах. С этой целью используется сравнение спектров различных молекул.

Спектром называется зависимость интенсивности поглощения (пропускания или оптической плотности) от длины волны или волнового числа падающего на образец света, выраженную в числовом или в графическом виде.

Значительная часть относительно сложной молекулы может быть прозрачна и поэтому спектр получается сходным со спектром гораздо более простой молекулы. В качестве примера можно сопоставить спектры гормона тестостерона и окиси мезитила (рис. 2). На основании идентичности этих спектров можно сделать вывод, что в молекуле гормона содержится такая же группировка, ответственная за поглощение в этой области спектра, что и в окиси мезитила.

Группы атомов, обусловливающие поглощение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, имеют определенные названия.

Сформулируем определение некоторых терминов.

Хромофор. Ковалентно ненасыщенная группа, обусловливающая поглощение в видимой или ультрафиолетовой областях спектра (например, С=С, С=О и NO₂).

Ауксохром. Насыщенная группа, которая, будучи присоединена к хромофору, изменяет как длину волны, так и интенсивность максимума поглощения (например, ОН, NH₂ и Сl).

Батохромный сдвиг. Сдвиг поглощения в сторону более длинных волн вследствие замещения или влияния растворителя (красный сдвиг).

Гипсохромный сдвиг. Сдвиг поглощения в сторону более коротких волн вследствие замещения или влияния растворителя (синий сдвиг).

Гиперхромный эффект. Увеличение интенсивности поглощения.

Гипохромный эффект. Уменьшение интенсивности поглощения.

Максимумы полос поглощения, соответствующих некоторым изолированным связям и различным хромофорам приведены в таблицах 1 и 2 (F 3).

Теория

Полная энергия молекулы равна сумме энергий ее связей, т.е. сумме электронной, колебательной и вращательной энергий. Величина этих энергий убывает в следующем порядке: Е_эл Е_кол Е_вр (Рис. 4).

Энергия поглощенного молекулой фотона, соответствующая УФ или видимой области спектра, изменяет электронную энергию молекулы, возбуждая ее валентные электроны. При этом электрон переходит с заполненной молекулярной орбитали на следующую орбиталь с более высокой энергией (разрыхляющую *- или ?*-орбиталь). Разрыхляющие орбитали отмечаются звездочкой. Так, переход электрона со связывающей -орбитали на разрыхляющую *-орбиталь обозначается как ?*.

Диаграмма энергетических уровней двухатомной молекулы показана на следующей схеме (Рис. 4). Изменение конфигурации ?-орбитали при электронном возбуждении молекулы этилена показано на следующем рисунке (Рис. 5).

Ясно видно различие между связывающей орбиталью, объединяющей атомы углерода, и разрыхляющей, две части которой сосредоточены на отдельных атомах, не связывая их.

На следующем рисунке (рис. F 6) показаны энергетические уровни молекулы бутадиена. Видно, что уровни энергии связывающих орбиталей лежат в отрицательной области, а энергия разрыхляющих (несвязывающих) орбиталей положительна.

Соотношение между энергией, поглощенной при электронном переходе, частотой, длиной волны и волновым числом выражается следующим образом (F 4):

Здесь h – постоянная Планка, равная 6,62610 -34 Дж с.

Что происходит при поглощении молекулой кванта энергии?

Мы видели, что молекула, находящаяся в основном электронном состоянии переходит в возбужденное состояние. Существенно, что невозбужденная молекула находится также и на основном колебательном уровне. Однако при поглощении кванта света происходит не только переход на более высокий электронный уровень, но молекула может одновременно переходить и на более высокие колебательные уровни. Схема этого процесса показана на следующем рисунке (рис. 7).

Из схемы, приведенной на следующем рисунке (рис. 8) видно, что переход молекулы при электронном возбуждении на все более высокие колебательные уровни приводит к возникновению спектра с выраженной колебательной структурой.

При регистрации спектров растворов могут быть получены спектры как с колебательной структурой, так и без нее (рис. 9). Отсутствие структуры может быть связано как со свойствами самой молекулы, так и со свойствами среды, температурой.

Характерный спектр бензола позволяет обнаружить его присутствие в различных растворителях даже в следовых количествах. Например, для абсолютировании этанола часто используется ректификация его с добавкой бензола, так как бензол дает с водой азеотроп, который и отделяется от этанола. Однако в УФ спектре такого этанола всегда видна картина, показанная на этом рисунке, что доказывает присутствие в нем следов бензола.

Из формулы (1) видно, что длина волны обратно пропорциональна, а волновое число прямо пропорционально энергии излучения. Т.е. с ростом энергии излучения соответствующая длина волны уменьшается, а волновое число возрастает пропорционально энергии. Поэтому многие современные приборы сконструированы таким образом, что регистрируемые спектры представляют собой функцию волнового числа, а не длины волны.

Рассмотрим теперь принципиальные схемы спектрофотометров и принципы их функционирования. Спектрофотометры могут быть диспергирующими и недиспергирующими. Диспергирующий спектрофотометр состоит из следущих основных частей: 1. Источник излучения; 2. Монохроматор с диспергирующим элементом (призмой или диффракционной решеткой); 3. Кюветного отделения, куда помещается исследуемый образец; 4. Приемника излучения и 5. Регистрирующего устройства.

На следующем рисунке (Рис. 10) приведена схема простейшего однолучевого спектрофотометра.

Запись результатов производится вручную путем считывания показаний регистрирующего прибора (стрелочного или цифрового) для каждого значения длины волны.

Следующий этап развития – это двухлучевые регистрирующие спектрофотометры, автоматически записывающие спектры в заданном интервале длин волн или волновых чисел. оптическая схема такого прибора показана на следующем рисунке. (Рис. 10). При работе такого прибора происходит автоматическое сканирование спектра в заданном диапазоне. Результаты фиксируются на самописце или запоминаются компьютером. Скорость записи полного спектра в диапазоне длин волн от 200 до 900 нм или в шкале волновых чисел от 50000 до 11000 см -1 занимает несколько минут в зависимости от скорости сканирования. Двухлучевая схема обладает рядом преимуществ. Так, компенсируются любые флуктуации интенсивности источника излучения, повышается воспроизводимость получаемых результатов.

Наконец, в последнее время произошел возврат к несканирующим приборам, в которых в качестве приемника излучения используется так называемая диодная матрица. Это тоже однолучевые приборы. Оптическая схема такого прибора представлена на следующем рисунке (Рис. 11). Продолжительность регистрации полного спектра во всем диапазоне не превышает 1 секунды.

Особенностью спектров, получаемых на таких приборах, является их прерывность. Это значит, что значения оптической плотности изменяются не непрерывно в определенном интервале длин волн или волновых чисел, а скачкообразно, с заранее заданным шагом. Принцип получения такого спектра на спектрофотометре с диодной матрицей показан на рис. 12. Точно такой же вид имеет спектр, записанный на компьютере, т.е. после оцифровки. При этом чем меньше шаг изменения длины волны или волнового числа при регистрации спектра, тем выше, при прочих равных условиях, точность результата.

Взаимодействие света с веществом проявляется в процессах его поглощения, излучения, преломления, поляризации, релеевского и комбинационного рассеяния и др. Перечисленные свойства света количественно характеризуют “степень взаимодействия” его с веществом и зависят как от природы самого вещества (его химических и физических свойств), так и от длины волны световой волны, взаимодействующей с веществом.

Электромагнитное излучение обладает свойствами волнового движения и свойствами потока частиц (корпускулярно-волновой дуализм). Такие явления как отражение, преломление, дифракция, интерференция и поляризация света могут быть объяснены в рамках классической физики, используя уравнения электромагнитного поля Максвелла для распространения световых волн.

Для описания поглощения света используют квантовую теорию, в основе которой лежит представление о том, что лучистая энергия может поглощаться только определенными порциями или, как их называют, квантами. Световые кванты получили название фотоны. Энергия Е переносимая фотоном пропорциональна частоте колебаний и по формуле Планка равна:

Е = hν =hс/ λ, (∂ж), (1.1)

где ν – частота колебаний, гц (сек -1 );

λ – длина волны, м;

h – постоянная Планка (6.625 10 – 34 ∂ж·сек);

с – скорость света (3·10 8 м/сек).

Следовательно, монохроматический пучек света можно характеризовать не только длиной волны или частотой, но также и энергией фотона.

Закон Бугера-Ламберта-Бера.

Выше отмечалось, что поглощение света – это ослабление светового потока при прохождении через среду вследствие перехода световой энергии в различные виды внутренней энергии вещества.

Основным законом количественной спектрофотометрии, устанавливающим количественную связь между степенью ослабления света, толщиной слоя вещества, через который проходит свет и концентрацией поглощающих центров является закон Бугера-Ламберта-Бера.

Впервые закон был сформулирован П. Бугером (Р. Bouguer) в 1729 г. В 1760 г. И. Ламберт (J. Lambert), со ссылкой на Бугера, выразил зависимость интенсивности прошедшего света от толщины слоя вещества математической формулой. В отношении концентрации поглощающих центров проверен экспериментально А. Бером (A. Beer) в 1852 г.

Рассмотрим процесс прохождения светового потока J_ν (J_о), характеризуемого волновым числом ν, через бесконечно тонкий плоскопараллельный слой вещества dx, мысленно выделенный в большой толще ℓ того же вещества (Рис.1). Если полагать линейную зависимость между ослаблением света dJ_ν и толщиной слоя dx, а также пропорциональность этого ослабления величине падающего потока J_ν, то:

где к_ν- постоянная, характеризующая поглощение слоя, рассчитанное на единицу толщины при постоянном ν, называемаякоэффициентом поглощения, (см -1 ). Знак минус означает уменьшение светового потока при его прохождении через слой вещества.

Разделяя переменные и интегрируя от 0 до ℓ получим:

∫ dJ/J = к_ν ∫ dx; ℓn J|= - к_ν х| ; ℓn J_ℓ - ℓn J_о = - (к_ν ℓ - к_ν 0);

J = J_о· ехр (- к_ν ℓ) – закон Бугера-Ламберта-Бера. (1.8)

Обычно его записывают или в натуральной форме:

J / J_о= е - ε с ℓ , (1.9)

или десятичной форме:

J / J_о= 10 - ε с ℓ (1.10)

где J_о – интенсивность падающего излучения (света);

J - интенсивность прошедшего излучения (света);

ε – эффективное сечение поглощения одного центра, (см -2 );

с – концентрация (число поглощающих центров в 1 см 3 ), (см -3 );

ℓ - толщина поглощающего слоя, (см).

Закон выведен в предположении, что относительное ослабление света в бесконечно тонком слое не зависит от интенсивности света, пропорционально толщине слоя и концентрации поглощающих центров с. Однако в реальности эти предположения имеют лишь приближенный характер, например:

· при высоких значениях с, особенно в газах и растворах, ε начинает заметно изменятся вследствие физико-химических взаимодействий поглощающих центров;

· независимость (ε·с) от J выполняется для некоторых веществ в широких пределах изменения энергии поглощаемого света. Однако строго постоянным (ε·с) оставаться не может, т.к. вследствие квантовой природы света и конечной длительности возбужденных состояний поглощающих центров значительная их часть при достаточно большой мощности света вскоре оказывается в возбужденном состоянии и поглощение уменьшается. Это легко наблюдается в кристаллических фосфорах (например, в ZnS), длительность возбужденных состояний которых велика.

· (ε·с) зависит от толщины слоя при поглощении света в люминесцирующем веществе, когда расстояние между высвечивающим и поглощающим центрами меньше длины световой волны. Причинаэтого заключается в резонансных взаимодействиях между высвечивающим и поглощающим центрами.

Кроме того, этот закон выведен в предположении монохроматичности излучения, однородности кристалла, отсутствии потерь на отражение и рассеяние света в образце. В реальном эксперименте эти предположения, как правило, не выполняются, что приводит к кажущимся отклонениям от закона. Например, при учете отражений от поверхностей кристалла закон поглощения будет иметь вид:

где R – показатель отражения поверхности.

Поэтому в данном случае для получения точных экспериментальных результатов необходимо проводить измерения, как для поглощения, так и для отражения.

Литература

1. Т. Мосс. Оптические свойства полупроводников, пер. с англ., М., 1961.

2. М. А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия. М., 1962

3. Г. И. Епифанов. Физика твердого тела. М., 1977, 288 с.

4. И. Б. Берсукер. Электронное строение и свойства координационных соединений. Л., 1971, 312 с.

7. А. Н. Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский. Техника и практика спектроскопии. М. Наука, 1976, 392 с.

8. В. В. Лебедева. Техника оптической спектроскопии. М. 1977, 384 с

Введение. Оптическая спектроскопия

Оптическая спектроскопия ─ раздел общей спектроскопии твердого тела, предметом которой является изучение взаимодействия электромагнитных волн с веществом.

Спектроскопия твердого тела является одним из надежных и точных инструментов позволяющим определять энергетические уровни (состояния) твердого тела и идентифицировать электронные и фононные переходы между ними. В спектроскопии твердого тела электромагнитные волны используют как зонд и изучают отклик твердого тела на зондирующее излучение.

В твердом теле возможны:

а) движение электронов;

б) колебания атомов и групп атомов;

в) собственные вращения электронов, ядер и ядерных частиц.

Каждому типу движений частиц или их групп соответствуют свои уровни энергии и свой тип спектроскопии чувствительный к тем или иным особенностям строения твердого тела.

Ввиду единства природы электромагнитного излучения любых частиц (от радио- до гамма-излучения) все виды спектроскопии принципиально похожи друг на друга, однако экспериментальные установки сильно различаются по своей конструкции из-за сильных различий в источниках и приемниках в разных видах спектроскопии.

Весь комплекс существующих в природе электромагнитных волн образует спектр электромагнитных колебаний.

В спектре электромагнитных колебаний различают следующие основные участки излучения (поглощения): гамма, рентгеновское, оптическое и радиодиапазон. Эти участки электромагнитного спектра сильно отличаются как по своей природе, так и по характеру взаимодействия с веществом. Границы между участками условны. Так, например, излучение с длиной волны около 0,1 мкм можно считать либо как мягкое рентгеновское, либо как жесткий ультрафиолет.

Радиоизлучение возникает при движении свободных электронов в веществе. Его генерируют и принимают с помощью классических электронных схем, образующих резонансную систему (колебательный контур). Инфракрасное излучение возникает при колебательных и вращательных движениях атомов. Видимое и ультрафиолетовое излучение (поглощение) – результат электронных переходов во внешних электронных оболочках атомов и молекул, а рентгеновское – результат электронных переходов во внутренних оболочках атомов или при торможении быстрых электронов. Гамма излучение (поглощение) имеет ядерную природу.

По мере уменьшения длины волны резко меняется характер электромагнитного излучения. В случае низкочастотных колебаний и колебаний радиодиапазона отчетливо проявляются их волновые свойства; рентгеновское и гамма излучения проявляют корпускулярный характер. В оптическом диапазоне излучение характеризуется как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Оптический диапазон простирается от условной границы ИК-спектра при λ=100 мкм до границы УФ при λ=0,1 мкм и подразделяется на поддиапазоны:

Видимый: 0,4 – 0,75 мкм;

ИК: 0,75 – 2,5 мкм – ближний ИК;

2,5 – 25 мкм – средний ИК;

25 – 100 мкм – дальний ИК.

Таким образом, со стороны коротких длин волн оптическая спектроскопия граничит со спектроскопией рентгеновских лучей, а со стороны длинных волн – со спектроскопией радиочастотного диапазона.

На практике на разных участках оптического диапазона используют свои единицы измерения длины волны: в ИК-диапазоне - это микрометр (1мкм=10 -6 м) и волновые числа (см-1 ); в видимом и УФ-диапазонах – нанометр (1нм = 10 -9 м) и ангстрем (1Ǻ=10-10 м, или 1нм = 10Ǻ).

Поскольку длина волны (λ), частота колебания (ν) и скорость света (с) связаны соотношением с = λ·ν, то для характеристики излучения помимо единиц длины волны используют частотные единицы, выражаемые в герцах (1мкм соответствует 3·10 14 Гц), а также обратную длине волны величину, называемую волновым числом ν =1/λ (см -1 ). Волновое число выражает количество волн данной длины, укладывающихся на одном сантиметре.

Способы фармацевтического анализа нуждаются в систематическом совершенствовании в связи с непрерывным повышением требований к качеству лекарственных средств, причем растут требования как к степени чистоты лекарственных веществ, так и к количественному содержанию. Поэтому необходимо широкое использование не только химических, но и более чувствительных физико-химических методов для оценки качества лекарств.В настоящее время широкое распространение получили оптические методы анализа лекарственных препаратов, которые будут рассмотрены в курсовой работе.

Содержание

Введение
Теоретические основы оптического анализа
Колориметрия
Визуальная колориметрия
Поляриметрия
Рефрактометрия
Применение оптического метода для анализа лекарственных препаратов
Колориметрия
Нефелометрия
Рефрактометрия
Заключение
Литература

Прикрепленные файлы: 1 файл

ОТРЕД. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА.docx

Введение
Теоретические основы оптического анализа
Колориметрия
Визуальная колориметрия
Поляриметрия
Рефрактометрия
Применение оптического метода для анализа лекарственных препаратов
Колориметрия
Нефелометрия
Рефрактометрия
Заключение
Литература

Теоретические основы оптического методов анализа

К оптическим методам анализа относят физико-химические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. Оптические методы включают в себя большую группу спектральных методов анализа. Рассмотрим наиболее распространенные виды оптических методов анализа.

Колориметрией называют методы анализа, основанные на измерении поглощения света окрашенными растворами в видимой части спектра. Стандартным или образцовым раствором называют растворы с точной концентрацией, применяемые для сравнения с исследуемым раствором. В колориметрии используют химические реагенты, которые образуют окрашенные соединения с определяемым веществом. Сравнивая полученную окраску с окраской стандартного раствора: того же вещества, определяют содержание окрашенного вещества в исследуемом растворе. Интенсивность окраски раствора находится в прямой зависимости от концентрации растворенного окрашенного вещества и от толщины рассматриваемого слоя раствора.

Эта зависимость выражается основным законом колориметрии: законом Бугера -- Ламберта--Бера. Если пучок лучей белого света пропустить через стеклянную кювету, наполненную окрашенным прозрачным раствором, то интенсивность света будет ослабевать в результате отражения На границах фаз (воздух--стекло, стекло--жидкость), рассеивания от неизбежно присутствующих в растворе взвешенных частиц и главным образом в результате поглощения лучистой энергии окрашенными частицами. Поэтому интенсивность излучения, прошедшего через кювету с окрашенным раствором и попадающего на сетчатку глаза человека или на чувствительный физический прибор (фотоэлемент), будет меньше интенсивности пучка света, входящего в кювету. Степень поглощения окрашенными растворами волн падающего света различной длины неодинакова Поглощение лучистой энергии раствором в видимой и ультрафиолетовой областях спектра избирательно и зависит от свойства поглощающих молекул или ионов. Закон Бугера--Ламберта--Бера можно выразить уравнением характеристики, позволяющей судить о чувствительности метода. Так, если один и тот же ион образует окрашенные соединения с различными реактивами, используемыми в колориметрии, то наибольшей чувствительностью будет обладать тот колориметрический метод, в котором будет использован окрашенный продукт реакции с максимальным молярным коэффициентом поглощения.

Интенсивность окраски растворов можно измерять визуальным и фотоколориметрическим методом. Визуальные методы в значительной степени субъективны, так как сравнение интенсивности окрашивания растворов проводят невооруженным глазом. Приборы, предназначенные для измерения интенсивности окраски визуальным методом, называют колориметрами. К визуальным колориметрическим методам относят: 1) метод стандартных серий; 2) метод колориметрического титрования; 3) метод уравнивания; 4) метод разбавления.

Метод стандартных серий (метод цветной шкалы). Приготавливают ряд стандартных растворов какого-либо вещества с постепенно изменяющимися концентрациями в определенном объеме растворителя, например 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 мг и т. д. до ~ 10 шт. Помещают определенный объем каждого стандартного и такой же объем анализируемого раствора в пробирку, добавляют равные объемы необходимых реактивов. Сравнивают интенсивность полученной окраски исследуемого и стандартных растворов. Если окраска анализируемого раствора по интенсивности совпадает с цветом стандартного раствора, содержащего 0,4 мг данного вещества, то содержание его в исследуемом растворе равно 0,4 мг. Если окраска исследуемого раствора соответствует промежуточной концентрации, например между 0,4 и 0,5 мг, то концентрацию анализируемого раствора берут средней между соседними концентрациями стандартных растворов (приблизительно 0,45 мг). Рекомендуется для получения более точных результатов приготовить промежуточные серии стандартных растворов. Метод дает приближенные результаты и во время работы необходимо часто возобновлять шкалу из-за неустойчивости окраски некоторых стандартных растворов. При выполнении анализа методом стандартных серий не требуется соблюдения основного закона колориметрии.

Метод колориметрического титрования (метод дублирования). Определенный объем анализируемого окрашенного раствора неизвестной концентрации сравнивают с таким же объемом воды, к которой добавляют из бюретки окрашенный стандартный раствор того же вещества определенной концентрации до уравнивания интенсивности окрасок. По совпадению интенсивности окрасок стандартного и исследуемого растворов определяют содержание вещества в растворе неизвестной концентрации. Концентрацию вещества в анализируемом растворе сх (в г/мл) находят по формуле

где Г--титр стандартного раствора, г/мл; V--объем стандартного раствора, мл; V1--объем анализируемого раствора, взятый для колориметрирования, мл. Метод неприменим при реакциях, протекающих медленно, и при необходимости дополнительных обработок кипячение, фильтрование. Метод уравнивания. Сравнение интенсивности окрасок анализируемого и стандартного растворов проводят в колориметрах. Метод основан на том, что, изменяя толщину слоя двух растворов с различной концентрацией одного и того же вещества, добиваются такого состояния, при котором интенсивность светового потока, прошедшего через оба раствора, будет одинакова - наступает оптическое равновесие. Оптическая плотность каждого раствора соответственно равна. Метод уравнивания является наиболее точным методом колориметрирования. Метод разбавления. Одинаковую интенсивность окраски анализируемого и стандартного растворов получают путем постепенного разбавления водой или соответствующим растворителем того раствора, который более окрашен. Разбавление проводят в одинаковых узких цилиндрах с делениями на миллилитры и десятые доли. Два одинаковых по размерам и формам цилиндра с анализируемым и стандартными растворами помещают рядом в специальный штатив с экраном из матового стекла. В более интенсивно окрашенный раствор вливают воду или растворитель до тех пор, пока окраска обоих растворов не станет одинаковой. После совпадения окрасок растворов измеряют объемы растворов в цилиндрах и рассчитывают содержание веществ в растворе неизвестной концентрации.

Преломление световых лучей на границе раздела двух различных оптических сред называют рефракцией, она характеризуется показателем преломления. Рефрактометрический метод анализа (рефрактометрия) основан на зависимости показателя преломления света от состава системы. Такую зависимость устанавливают путем определения показателя преломления для ряда стандартных смесей растворов. Предварительно по экспериментальным данным строят градуировочный график в координатах: состав смеси--показатель преломления; затем по градуировочному графику определяют показатель преломления раствора неизвестного состава. Метод рефрактометрии применяют для количественного анализа бинарных, тройных и разнообразных сложных систем растворов. Примером бинарных систем являются водные растворы спиртов, сахаров, глицерина, кислот, оснований, солей и др. Для водного раствора сахара и метанола градуировочный график имеет вид. На оси ординат откладывают показатель преломления и, который определяют с помощью рефрактометра, на оси абсцисс--содержание сахара и метанола (в %).

Рефрактометрический метод анализа имеет ряд достоинств: простота и быстрота определений, высокая точность анализа (до сотых долей процента). Метод применяют для анализа разнообразных сложных систем: горючих и смазочных материалов, биологических и пищевых продуктов, лекарственных пpeпаратов и др. При анализе многокомпонентных систем часть компонентов может находиться в постоянном соотношении, что упрощает анализ, так как дает возможность рассматривать систему как двойную. В связи с тем, что показатель преломления является индивидуальной характеристикой вещества и присутствие в исследуемой системе примесей влияет на его значение, определение его используют для установления степени чистоты вещества. С помощью рефрактометрических измерений проводят идентификацию веществ путем определения величин преломления и их физических характеристик (плотности, температуры кипения . Полученные экспериментальные величины сравнивают с табличными и, таким образом, устанавливают природу веществ. В настоящее время имеются различные типы рефрактометров для измерения показателей преломления. Для более точных измерений применяют рефрактометры Аббе и Пульфриха. В качестве источника света используют натриевую горелку, натриевую лампу или газоразрядную трубку, которая дает линейчатые спектры. Наиболее распространенным является рефрактометр Аббе. Принцип работы рефрактометра основан на определении угла полного внутреннего отражения. Рефрактометр предназначен для измерения показателей преломления жидкостей в пределах от 1,330 до 1,700.

Применение оптического метода для анализа лекарственных препаратов

Оптические методы находят все более широкое применение в практике внутриаптечного контроля ввиду экспрессности, минимального расхода анализируемых лекарств. Рефрактометрия использована для испытания подлинности лекарственных веществ, представляющих собой жидкости (диэтиламид никотиновой кислоты, метилсалицилат, токоферола ацетат), а во внутриаптечном контроле -- для анализа лекарственных форм, в том числе двойных и тройных смесей. Применяют также объемно-рефрактометрический анализ и рефрактометрический анализ методом полной и неполной экстракции. Разработаны различные варианты методик анализа интерферометрическим методом лекарственных препаратов, титрованных растворов, дистиллированной воды. Поляриметрию применяют для испытания подлинности лекарственных веществ, в молекулах которых имеется асимметрический атом углерода. Среди них большинство препаратов из групп алкалоидов, гормонов, витаминов, антибиотиков, терпенов. В аналитической химии и фармацевтическом анализе используются рентгенорефрактометрия порошков, спектрополяриметрический анализ, лазерная интерферометрия, дисперсия вращения и круговой дихроизм. Помимо указанных оптических методов для идентификации индивидуальных лекарственных веществ в фармацевтическом и токсикологическом анализе не теряет своего значения химическая микроскопия. Перспективно применение электронной микроскопии, особенно в фитохимическом анализе. В отличие от оптической микроскопии объект подвергается воздействию пучка электронов высоких энергий. Изображение, образованное рассеянными электронами, наблюдают на флуоресцирующем экране. Одним из перспективных экспрессных физических методов является рентгенографический анализ. Он позволяет идентифицировать лекарственные вещества в кристаллической форме и различать при этом их полиморфное состояние. Для анализа кристаллических лекарственных веществ могут быть также применены различные виды микроскопии и такие методы, как ожеспектрометрия, фотоакустическая спектроскопия, компьютерная томография, измерения радиоактивности. Эффективным недеструктивным методом является отражательная инфракрасная спектроскопия, которая используется для определения примесей различных продуктов разложения и воды, а также в анализе многокомпонентных смесей.

Колориметрический метод основан на визуально сравнении интенсивности окраски анализируемого и эталонного растворов. Концентрацию анализируемого раствора определяют чаще всего методом стандартных серий, который заключается в следующем: в несколько про бирок с притертыми пробками, изготовленных из одного и того же стекла, одинакового цвета и диаметра, внося стандартный раствор определяемого вещества в различных, постепенно возрастающих количествах, прибавляют одинаковом количестве реактивы и доводят водой до определенного объема. Аналогично готовят окрашенный анализируемый раствор и сравнивают интенсивность его окраски с интенсивностью окраски серии эталонных растворов, рассматривая жидкости по оси пробирок сверху вниз на белом фоне. Выбирают пробирку, в которой окраски эталонного раствора наиболее близка к таковой анализируемого раствора. Концентрацию последнего принимаю равной концентрации вещества в этой пробирке эталонной серии. Если интенсивность окраски анализируемого раствора является промежуточной между окрасками двух соседних пробирок эталонной серии, то концентрацию анализируемого раствора определяют как среднюю между концентрациями в этих двух пробирках. Относительная ошибка колориметрического метода не превышает ±5%.

Читайте также: