Спектроскопия 9785948362205

Citation preview

Содержание Предисловие ................................................................................................................... 17 От автора ........................................................................................................................ 18 Глава 1. Введение ........................................................................................................... 22 1.1. Историческая справка ....................................................................................... 24 1.2. Преимущества инструментальной аналитики ................................................. 26 1.2.1. Следовая аналитика .................................................................................. 27 1.2.2. Высокий оборот проб ................................................................................ 28 1.3. Спектроскопия .................................................................................................. 29 1.4. «Ничто»: как его найти ...................................................................................... 33 1.4.1. Пример: платина ....................................................................................... 37 1.4.2. Ограничения следовой аналитики ........................................................... 38 1.4.3. Путь к оптимальным методам следового анализа .................................... 39 1.4.4. Взятие проб ................................................................................................ 42 1.5. Тенденции развития аналитики объектов окружающей среды ....................... 43 Глава 2. Взаимодействие между светом и материей ..................................................... 50 2.1. Внутренние и внешние взаимодействия .......................................................... 51 2.2. Абсорбционная и эмиссионная спектроскопия ............................................... 52 2.3. Атомная и молекулярная спектроскопия ......................................................... 53 2.4. Условия возбуждения ........................................................................................ 55 2.5. Классификация областей спектра .................................................................... 57 2.6. Измерительные системы спектроскопии ......................................................... 58 2.6.1. Место поглощения .................................................................................... 58 2.6.2. Интенсивность поглощения ..................................................................... 59 2.6.2.1. Отношение заселенностей ................................................................ 59 2.6.2.2. Вероятность перехода ....................................................................... 60 2.6.2.3. Закон Ламберта – Бера ..................................................................... 60 2.7. Количественный и качественный анализы ...................................................... 61 2.7.1. Качественный анализ ................................................................................ 62 2.7.2. Количественный анализ ........................................................................... 62 2.8. Традиционный спектрометр ............................................................................. 64 2.8.1. Однолучевые спектрометры ..................................................................... 66 2.8.2. Двухлучевые спектрометры ...................................................................... 66 Глава 3. Спектроскопия в УФ> и видимой областях спектра ....................................... 68 3.1. Классификация электронных переходов ......................................................... 69 3.1.1. Принцип Франка – Кондона .................................................................... 70 3.2. Теоретический расчет электронных переходов ................................................ 71 3.2.1. Энергия диссоциации и потенциал ионизации ....................................... 73 3.2.2. Хромофоры ................................................................................................ 73 3.3. Разрешенные и запрещенные переходы ........................................................... 76 3.4. Принцип измерения .......................................................................................... 77 3.4.1. Источники света ........................................................................................ 78 3.4.2. Монохроматор ........................................................................................... 80 3.4.3. Детектор ..................................................................................................... 80 3.4.4. Кюветы ...................................................................................................... 82 3.5. Измерение спектра ............................................................................................ 82 3.5.1. Тонкая колебательная структура ............................................................... 83 3.6. Определение концентрации по окраске ........................................................... 85 3.7. Многокомпонентный анализ ............................................................................ 86

6

Содержание 3.8. Измерение по принципу двойной длины волн ................................................ 88 3.9. Разностные спектры .......................................................................................... 90 3.10. Производные спектры ..................................................................................... 91 3.11. Требования к современному спектрометру .................................................... 92 3.12. Диодные матрицы в спектроскопии УФ> и видимой областей ..................... 94 3.12.1. Традиционный спектрофотометр ........................................................... 96 3.12.2. Спектрофотометры с диодной матрицей ............................................... 97 3.12.3. Преимущества технологии диодных матриц .......................................... 98 3.12.3.1. Однолучевые приборы .................................................................... 98 3.12.3.2. Экспрессная регистрация спектральных данных ........................ 100 3.12.3.3. Одновременное измерение спектра ............................................. 100 3.12.3.4. Воспроизводимость длин волн ..................................................... 100 3.12.3.5. Диапазон измерений ..................................................................... 101 3.12.3.6. Статистика данных измерения ..................................................... 101 3.13. Сопряжение со световодами ......................................................................... 102 3.13.1. Теоретические основы функционирования световодов ...................... 102 3.13.2. Применение световодной системы ....................................................... 103 3.14. Экспресс>тесты при исследовании воды ...................................................... 105 3.14.1. Пример: фотометрическое определение следов меди .......................... 107 3.14.2. Стержневые индикаторы ...................................................................... 107 3.14.3. Комплекты для сравнительных экспресс>тестов (колориметрия) ........... 108 3.14.4. Малогабаритные фотометры с готовыми программами ...................... 110 3.14.5. Метод опорного пучка ........................................................................... 111 3.15. Резюме и перспективы развития спектроскопии УФ> и видимой областей ....... 112

Глава 4. Флуорометрия ................................................................................................ 4.1. Теоретические основы люминесценции ......................................................... 4.2. Флуоресценция ................................................................................................ 4.3. Фосфоресценция ............................................................................................. 4.4. Параметры измерения при флуорометрии ..................................................... 4.4.1. Квантовый выход флуоресценции .......................................................... 4.4.2. Количественный анализ ......................................................................... 4.4.3. Тушение флуоресценции ......................................................................... 4.4.4. Флуоресцентные индикаторы ................................................................. 4.5. Флуоресцентные спектрометры ...................................................................... 4.5.1. Разные виды спектров ............................................................................. 4.5.2. Коррекция спектров ................................................................................ 4.5.3. Рассеяние света ....................................................................................... 4.5.4. Прочие возможные погрешности ........................................................... 4.6. Носители (держатели) проб ............................................................................ 4.7. Влияние температуры ...................................................................................... 4.8. Флуоресценция, индуцированная лазерным излучением ............................. 4.9. Флуорометрия с разрешением во времени ..................................................... 4.10. Резюме и перспективы развития флуорометрии ..........................................

116 116 118 121 123 123 124 125 126 126 128 129 131 132 133 134 135 136 137

Глава 5. ИК>спектроскопия ........................................................................................ 5.1. Историческая справка ..................................................................................... 5.2. Принцип ИК>спектроскопии ......................................................................... 5.2.1. Правила отбора ........................................................................................ 5.3. ИК>спектр ........................................................................................................ 5.4. Интерпретация спектров ................................................................................. 5.4.1. Теоретические основы ИК>спектроскопии ........................................... 5.4.1.1. Гармонический осциллятор ............................................................

138 139 140 141 142 144 144 144

8

Содержание 5.4.1.2. Ангармонический осциллятор ....................................................... 5.4.1.3. Многоатомные молекулы ............................................................... 5.4.2. Эмпирический подход к интерпретации спектров ................................ 5.5. Приборы и оборудование для регистрации ИК>спектров ............................. 5.5.1. Традиционные ИК>спектрометры .......................................................... 5.5.2. ИК Фурье>спектрометры ........................................................................ 5.5.2.1. Интерферометр Майкельсона ........................................................ 5.5.2.2. Достоинства ИК Фурье>спектрометра ........................................... 5.5.3. Качественный анализ .............................................................................. 5.5.4. Количественный анализ ......................................................................... 5.6. Методы подготовки образцов ......................................................................... 5.6.1. Жидкости и растворы .............................................................................. 5.6.2. Твердые вещества .................................................................................... 5.6.2.1. Техника прессования с KBr ............................................................ 5.6.2.2. Методика пробоподготовки с парафиновым маслом .................... 5.6.3. Газы .......................................................................................................... 5.7. ИК>спектроскопия отражения ....................................................................... 5.7.1. Метод НПВО ........................................................................................... 5.7.1.1. Принцип метода нарушенного полного внутреннего отражения ........................................................................................ 5.7.1.2. Практическое применение ИК>спектроскопии НПВО ............... 5.7.2. Внешнее отражение в ИК>спектроскопии ............................................ 5.7.2.1. Зеркальное отражение .................................................................... 5.7.2.2. Спектроскопия скользящего отражения ....................................... 5.7.2.3. Диффузное отражение .................................................................... 5.7.2.4. Практическое применение отражательной спектроскопии ......... 5.7.2.5. Сопряжение с волоконными световодами ..................................... 5.8. Фотоакустическая детектция .......................................................................... 5.9. ИК>микроскопия ............................................................................................ 5.9.1. Техника и методика ИК>микроскопии .................................................. 5.9.2. Образцы для ИК>микроскопии .............................................................. 5.10. Совместное применение аналитических методов ........................................ 5.10.1. Сочетание газовой хроматографии и ИК Фурье>спектроскопии ....... 5.10.2. Сочетание термогравиметрического анализа с Фурье>спектроскопией ....................................................................... 5.11. Применение ЭВМ в ИК>спектроскопии ...................................................... 5.12. Резюме и перспективы развития ИК>спектроскопии .................................

147 150 150 154 156 157 158 159 160 161 162 162 164 165 166 167 169 171

Глава 6. Спектроскопия в ближней ИК>области ....................................................... 6.1. Различия в спектроскопии ближней и средней ИК>области ........................ 6.2. Спектрометр для ближней ИК>области ......................................................... 6.3. Практическое применение спектроскопии в ближней ИК>области ............ 6.3.1. Определение влагосодержания ............................................................... 6.3.2. Использование спектроскопии ближней ИК>области при вторичной переработке пластмасс .................................................. 6.4. Резюме и перспективы развития спектроскопии в ближней ИК>области ........

196 196 198 199 201

Глава 7. Спектроскопия комбинационного рассеяния .............................................. 7.1. Теоретические основы спектроскопии комбинационного рассеяния .......... 7.2. Правила отбора ................................................................................................ 7.3. Спектрометр комбинационного рассеяния ................................................... 7.4. Практическое применение спектроскопии комбинационного рассеяния .........................................................................................................

171 174 176 176 177 179 182 182 183 185 186 187 188 189 190 192 193

202 203 205 206 209 210 213

10

Содержание 7.5. Резюме и перспективы развития спектроскопии комбинационного рассеяния ......................................................................................................... 214

Глава 8. Микроволновая спектроскопия .................................................................... 8.1. Теория вращательных спектров ...................................................................... 8.2. СВЧ>спектрометр ............................................................................................ 8.3. Практическое применение микроволновой спектроскопии ......................... 8.3.1. Определение межатомных расстояний и валентных углов ................... 8.3.2. Определение дипольных моментов ........................................................ 8.3.3. Ядерно>квадрупольное сопряжение ....................................................... 8.4. Резюме и перспективы развития микроволновой спектроскопии ................

216 217 220 221 222 222 223 224

Глава 9. Атомно>абсорбционная спектроскопия ....................................................... 9.1. Историческая справка ..................................................................................... 9.2. Общая характеристика метода ........................................................................ 9.3. Линейчатый спектр ......................................................................................... 9.3.1. Правила отбора ........................................................................................ 9.3.2. Отбор линий ............................................................................................ 9.3.3. Чувствительность и пределы обнаружения ............................................ 9.4. Атомно>абсорбционный спектрометр ............................................................ 9.4.1. Принцип модуляции и спектральные помехи ....................................... 9.4.2. Ширина спектральных линий ................................................................ 9.5. Лампы с полым катодом .................................................................................. 9.5.1. Многоэлементные лампы с полым катодом .......................................... 9.5.2. Безэлектродные разрядные лампы ......................................................... 9.6. Процесс атомизации ........................................................................................ 9.6.1. Атомизация в пламени ............................................................................ 9.6.1.1. Пламя смеси воздуха и ацетилена .................................................. 9.6.1.2. Пламя смеси веселящего газа и ацетилена .................................... 9.6.1.3. Распылители и смесительные камеры ........................................... 9.6.1.4. Градуировка и коррекция графика ................................................. 9.6.2. Атомизация в графитовой трубчатой печи ............................................. 9.6.2.1. Сверхвысокая скорость нагрева ..................................................... 9.6.2.2. Платформа Львова .......................................................................... 9.6.2.3. Перепад температур и прекращение притока инертного газа ........ 9.6.2.4. Интегрирование площади сигнала ................................................. 9.6.2.5. Графическое сопровождение процесса атомизации ...................... 9.6.2.6. Модификация матрицы .................................................................. 9.6.3. Методика на основе гидридных соединений и холодных паров ртути ...... 9.6.4. Критерии выбора подходящего способа атомно>абсорбционной спектроскопии ........................................................................................ 9.7. Помехи ............................................................................................................. 9.7.1. Химические помехи ................................................................................ 9.7.2. Физические помехи ................................................................................. 9.7.3. Ионизационные помехи ......................................................................... 9.7.4. Спектральные помехи ............................................................................. 9.7.5. Метод добавок ......................................................................................... 9.8. Фоновая абсорбция ......................................................................................... 9.8.1. Компенсация с излучателями непрерывного света ............................... 9.8.2. Коррекция фона по Зееману ................................................................... 9.8.2.1. Эффект Зеемана .............................................................................. 9.8.2.2. Разные системы атомно>абсорбционной спектрометрии с использованием эффекта Зеемана ..............................................

226 229 230 232 234 235 235 236 237 238 239 240 241 241 241 242 242 243 246 247 251 252 253 253 254 254 255 257 258 258 259 260 261 261 262 264 266 266 268

12

Содержание 9.8.2.3. Пределы зеемановской коррекции фона ....................................... 9.8.3. Система Смита – Хифти ......................................................................... 9.9. Аппаратурное оформление процесса .............................................................. 9.9.1. Одновременное определение нескольких элементов ............................ 9.10. Проточно>инжекционный анализ в атомно>абсорбционной спектрометрии ............................................................................................... 9.10.1. Проточно>инжекционная атомно>абсорбционная спектрометрия на основе определения гидридов и ртути ............................................ 9.10.2. Проточно>инжекционная пламенная атомно>абсорбционная спектрометрия ...................................................................................... 9.10.3. Проточная инжекция в сочетании с распылительной системой высокого давления ................................................................................ 9.10.3.1. Сочетание с ионной хроматографией .......................................... 9.10.3.2. Концентрирование элементов и отделение матрицы .................. 9.10.4. Перспективы применения проточной инжекции в атомно>абсорбционной спектрометрии ........................................... 9.11. Оснащение лаборатории атомно>абсорбционной спектрометрии ............. 9.11.1. Вытяжная система при работе с пламенной атомно>абсорбционной спектрометрией .................................................................................... 9.11.2. Рабочее пространство ............................................................................ 9.1.3. Дренаж горелки ....................................................................................... 9.12. Резюме и перспективы развития атомно>абсорбционной спектроскопии ...............................................................................................

273 275 277 283 284 286 287 289 291 292 294 294 295 295 296 297

Глава 10. Атомно>флуоресцентная спектрометрия .................................................... 300 Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами ........................................................... 11.1. Теоретические основы метода ....................................................................... 11.1.1. Что такое плазма? .................................................................................. 11.2. Образование плазмы ...................................................................................... 11.2.1. Индуктивно связанная плазма .............................................................. 11.2.2. Трехэлектродная плазма постоянного тока .......................................... 11.2.3. СВЧ>индуцированная плазма ............................................................... 11.3. Состав атомно>эмиссионого спектрометра с ИСП ...................................... 11.3.1. Генератор высокой частоты ................................................................... 11.3.2. Система плазменных горелок ............................................................... 11.3.2.1. Горелки ........................................................................................... 11.3.2.2. Разные режимы работы ................................................................. 11.3.2.3. Распыление .................................................................................... 11.3.2.4. Распылительная камера ................................................................ 11.3.2.5. К вопросу о снижении расхода аргона ......................................... 11.4. Оборудование для работы с ИСП ................................................................. 11.4.1. Эмиссионные ИСП>спектрометры последовательного действия ...... 11.4.1.1. Монохроматор спектрометра последовательного действия ........ 11.4.1.2. Разрешающая способность ........................................................... 11.4.1.3. Монохроматор Черни – Тернера .................................................. 11.4.1.4. ИСП>аналитика в спектральном пике ......................................... 11.4.2. Многоэлементный эмиссионный ИСП>спектрометр ......................... 11.4.2.1. Полихроматор Пашена – Рунге .................................................... 11.4.3. Комбинированные ИСП>спектрометры одновременного и последовательного действия ............................................................. 11.4.4. ИСП>спектрометр с эшелле ..................................................................

303 306 308 309 310 312 313 315 315 316 316 318 321 325 326 326 328 329 330 333 333 335 337 338 338

Содержание 11.4.4.1. Одновременное измерение всех элементов на всех длинах волн ....................................................................... 11.4.5. Проблемы многоэлементного определения ......................................... 11.4.6. Световоды для ИСП>спектрометров .................................................... 11.4.7. Наблюдение плазмы в осевом направлении ........................................ 11.4.8. Применение внутреннего стандарта ..................................................... 11.5. Помехи при оптической эмиссионной ИСП>спектрометрии ..................... 11.5.1. Фоновые помехи .................................................................................... 11.5.1.1. Рассеянный свет ............................................................................ 11.5.1.2. Спектральные помехи ................................................................... 11.5.2. Распознавание и компенсация фоновых помех ................................... 11.5.2.1. Измерение раствора холостой пробы ........................................... 1.5.2.2. Обзорный анализ ............................................................................ 11.5.2.3. Переход на другие линии спектра ................................................ 11.5.2.4. Измерение фона рядом с аналитической линией ........................ 11.6. Стандартные растворы для атомно>эмиссионной спектрометрии ............. 11.7. Гидридная система ......................................................................................... 11.8. Анализ твердых образцов .............................................................................. 11.8.1. Искровая эмиссионная спектрометрия ................................................ 11.8.2. Тлеющий разряд .................................................................................... 11.8.3. Микроплазмы, индуцированные лазерным излучением ..................... 11.8.4. Метод графитовой трубчатой печи ....................................................... 11.9. Выбор спектрометра для элементного анализа ............................................ 11.9.1. Пределы обнаружения ........................................................................... 11.9.2. Линейная динамическая рабочая область ............................................ 11.9.3. Скорость измерения .............................................................................. 11.9.4. Помехи ................................................................................................... 11.9.5. Воспроизводимость ............................................................................... 11.9.6. Прочие важные аспекты ........................................................................ 11.10. Плазменная масс>спектрометрия ............................................................... 11.10.1. Техника и методика масс>спектрометрии с ИСП .............................. 11.10.2. ИСП в качестве ионного источника ................................................... 11.10.3. Сопряжение масс>спектрометри с ИСП ............................................ 11.10.4. Масс>спектрометры ............................................................................. 11.10.5. Преимущества плазменной масс>спектрометрии .............................. 11.10.5.1. Полуколичественный анализ ...................................................... 11.10.5.2. Определяемые элементы ............................................................. 11.10.5.3. Аналитические ограничения ...................................................... 11.10.6. Новые области применения плазменной масс>спектрометрии ........ 11.11. Резюме и перспективы развития плазменной атомной спектрометрии ................................................................................................ Глава 12. Масс>спектрометрия .................................................................................... 12.1. Теоретические основы метода ....................................................................... 12.2. Природа масс>спектра ................................................................................... 12.2.1. Стабильность ионов>фрагментов ......................................................... 12.2.2. Перегруппировки .................................................................................. 12.2.3. Метастабильные ионы .......................................................................... 12.3. Образование ионов ........................................................................................ 12.3.1. Ионизация электронным ударом .......................................................... 12.3.2. Химическая ионизация ......................................................................... 12.3.3. Масс>спектрометрия на основе ионно>молекулярных реакций .........

13

341 342 343 344 345 345 346 346 347 348 349 350 351 351 352 352 353 353 355 357 357 358 360 361 361 362 363 363 363 365 366 366 367 367 369 369 369 370 372 376 377 378 379 380 380 381 381 382 383

14

Содержание 12.3.4. Времяпролетная масс>спектрометрия с лазерной десорбцией>ионизацией из матрицы ................................................... 12.3.5. Масс>спектральный анализ труднолетучих соединений ..................... 12.3.6. Масс>спектрометрия отрицательных ионов ........................................ 12.4. Масс>спектрометры ....................................................................................... 12.4.1. Квадрупольный масс>спектрометр ....................................................... 12.4.2. Магнитный масс>спектрометр .............................................................. 12.4.3. Времяпролетные масс>спектрометры .................................................. 12.4.4. Сдвоенный (тандемный) масс>спектрометр ........................................ 12.5. Резюме и перспективы развития масс>спектрометрии ................................

384 384 385 386 387 389 390 391 393

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса ........................................ 13.1. Теоретические основы ЯМР>спектроскопии ............................................... 13.2. Химический сдвиг ......................................................................................... 13.3. Спин>спиновое взаимодействие ................................................................... 13.4. Регистрация ЯМР>спектров .......................................................................... 13.4.1. К вопросу о чувствительности .............................................................. 13.4.2. Расход вещества ..................................................................................... 13.4.3. Накопление спектров ............................................................................ 13.4.4. Принципы интегрирования .................................................................. 13.4.5. Количественный анализ ........................................................................ 13.4.6. Магнитное поле ..................................................................................... 13.5. ЯМР>спектрометры ....................................................................................... 13.5.1. Свип>спектрометр ................................................................................. 13.5.2. Импульсный Фурье>ЯМР>спектрометр ............................................... 13.5.3. Измерение релаксации .......................................................................... 13.6. Техника двойного резонанса ......................................................................... 13.7. Двухмерная ЯМР>спектроскопия ................................................................. 13.8. Ядерный эффект Оверхаузера ....................................................................... 13.9. Практическое применение ЯМР>спектроскопии ........................................ 13.9.1. 13С>ЯМР>спектроскопия ..................................................................... 13.9.2. Дейтериевая ЯМР>спектроскопия ....................................................... 13.9.3. ЯМР>томография .................................................................................. 13.9.4. ЯМР>микроскопия ................................................................................ 13.9.5. ЯМР твердого тела ................................................................................. 13.9.6. Ионный циклотронный резонанс ........................................................ 13.10. Резюме и перспективы развития ЯМР>спектроскопии .............................

395 398 401 404 407 408 409 409 409 410 410 411 413 414 416 417 419 420 421 422 423 424 425 425 427 427

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ ................................................................ 14.1. Понятие рентгеновской флуоресценции ...................................................... 14.2. Теоретические основы метода ....................................................................... 14.2.1. Оже>эффект ........................................................................................... 14.2.2. Квантовый выход флуоресценции ........................................................ 14.3. Характеристические спектральные линии ................................................... 14.3.1. К>спектр олова ...................................................................................... 14.3.2. L>спектр золота ...................................................................................... 14.4. Закон Мозли ................................................................................................... 14.5. Возбуждение ................................................................................................... 14.5.1. Генерация рентгеновских лучей ............................................................ 14.5.1.1. Тормозное рентгеновское излучение ............................................ 14.5.1.2. Характеристическое излучение .................................................... 14.5.1.3. Выбор материала для анода .......................................................... 14.6. Поглощение рентгеновских лучей ................................................................

430 432 433 435 436 437 437 438 439 440 440 440 441 442 442

16

Содержание 14.6.1. Возбуждение характеристического излучения ..................................... 14.6.2. Первичная и вторичная абсорбция ....................................................... 14.7. Рентгеновская трубка .................................................................................... 14.7.1. Возбуждение посредством радионуклидов ........................................... 14.8. Рентгеновские спектрометры ........................................................................ 14.8.1. Метод с дисперсией по длине волны .................................................... 14.8.2. Метод с дисперсией по энергии ............................................................ 14.9. Рентгеновские детекторы .............................................................................. 14.9.1. Сцинтилляционные счетчики ............................................................... 14.9.2. Газовые счетчики ................................................................................... 14.9.3. Полупроводниковые детекторы ............................................................ 14.10. Применение в химико>аналитических целях ............................................. 14.10.1. Калибровка .......................................................................................... 14.10.2. Предел обнаружения ........................................................................... 14.11. Рентгенофлуоресцентный анализ с полным внутренним отражением ......... 14.12. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции ..................................................... 14.12.1. Применение селективных поглощающих пленок (фильтров) .......... 14.12.2. Измерение толщины верхнего и промежуточного слоев ................... 14.12.3. Измерение толщины двухкомпонентного легированного слоя ........ 14.13. Новые разработки в рентгеновской спектрометрии .................................. 14.13.1. Рентгенофлуоресцентный анализ легких элементов ......................... 14.13.2. Псевдокристаллы ................................................................................. 14.14. Резюме и перспективы развития рентгенофлуоресцентного анализа .......

444 445 446 447 447 448 450 451 451 451 452 452 453 455 455

Глава 15. Методы анализа поверхности ...................................................................... 15.1. Методы анализа поверхности ........................................................................ 15.2. Рентгеновский микроанализ с дисперсией по энергии ............................... 15.2.1. Качественный рентгеновский анализ .................................................. 15.2.2. Количественный анализ ........................................................................ 15.3. Индуцированная протонами рентгеновская эмиссия ................................. 15.4. Оже>электронная спектроскопия ................................................................. 15.4.1. Растровый Оже>микроскоп .................................................................. 15.5. Электронная спектроскопия для химического анализа ............................... 15.6. Масс>спектрометрия вторичных ионов ........................................................ 15.7. Спектроскопия ионного рассеяния .............................................................. 15.8. Микроскопия с растровыми зондами ........................................................... 15.8.1. Принцип растровой туннельной микроскопии ................................... 15.8.2. Принцип атомной силовой микроскопии ............................................ 15.8.3. Магнитодинамический микроскоп ...................................................... 15.8.4. Растровый электрохимический микроскоп ......................................... 15.8.5. Практическое применение анализов поверхности ..............................

474 476 479 481 482 483 483 486 487 491 493 494 496 498 500 501 501

458 462 464 465 468 468 469 469

Глава 16. Заключение ................................................................................................... 504 Литература .............................................................................................................. 507 Дополнительная литература .................................................................................. 519 Список фирм ................................................................................................................. 523

Предисловие В связи с прогрессом в области измерительной техники и особенно микроэлект роники в последние 10–20 лет отмечалось бурное развитие инструментальной аналитики, которая тоже достигла впечатляющих успехов. Благоприятные изме нения в этой сфере потребовали, кроме прочего, повышения уровня компетент ности сотрудников химических лабораторий, от техниковлаборантов до хими ковисследователей, использующих в своей работе разнообразные методы ана лиза и современное измерительноаналитическое оборудование. Оптимальное, то есть проблемноориентированное и приближенное к практике, применение спектроскопии в соответствии с уровнем аналитической техники достижимо те перь лишь при условии владения основами новых методик, при точном знании возможностей и ограничений предлагаемого оборудования и существующих ана литических систем. Юрген Беккер, химиканалитик с богатым опытом производственной и пре подавательской деятельности, рассматривает в своей книге самые популярные и наиболее распространенные на сегодняшний день методы спектрометрии. Мето дика и техника анализа обсуждаются здесь в весьма доступной форме с ориента цией на практические условия. Каждая глава ведет читателя от теоретических ос нов к детальному описанию конкретного метода. Оценивая достоинства и недо статки, равно как возможности и ограничения определенных способов и соответ ствующего аналитического оборудования, книга учит осознанному подходу к выбору методик анализа, предусматривающих высокий уровень технического ос нащения, наличие эффективного программного обеспечения и гарантирующих получение достоверных и надежных данных. Ознакомившись с приведенной информацией, химиканалитик перестает быть лицом, приставленным лишь обслуживать некую систему «черного ящика» и не редко чувствующим себя чемто вроде регламентирующей компьютерной програм мы. Перед ним открываются связи и зависимости, помогающие оптимально ис пользовать имеющийся в распоряжении «аналитический инструмент». Я от всей души желаю этой книге успеха у заинтересованных читателей – в надежде, что представленные Ю. Беккером сведения с подробным описанием методов анализа и измерительноаналитической техники будут способствовать реальному разви тию и совершенствованию современной инструментальной аналитики. Профессор Георг Шведт, Технический университет, Клаустал

От автора Именно аналитическая химия с ее традиционными вопросами касательно каче ственного и количественного состава веществ сотни лет назад была положена в ос нову химии как науки. Но к началу ХХ века наметилось определенное отставание аналитики от стремительно набирающей силу химии синтетических материалов, которой, благодаря некоторым революционным открытиям и постоянно возраста ющим требованиям в области естествознания, медицины, материаловедения, тех нического оснащения, а также защиты окружающей среды, удалось выдвинуться на передний план. При этом, однако, не осталось незамеченным очевидное отстра нение данной отрасли от нужд практического производства, как и от насущных проблем собственно химической промышленности, в то время как аналитическая химия все увереннее становилась важнейшим экономическим фактором с упором на удовлетворение потребностей широких слоев населения. Так, именно с помо щью химии были успешно решены некоторые проблемы в борьбе с опасными бо лезнями, многие вопросы защиты окружающей среды, экономного использования сырьевых ресурсов и энергии. Если бы химическая аналитика несколько раньше была поставлена на службу конкретным отраслям науки и техники, она бы давно развилась в самостоятельную и максимально востребованную дисциплину. Весовой и объемный анализы относят к классическим методам исследования веществ так называемым «мокрым способом». Бурное развитие электроники и эффективных технологий в области приборостроения привело к тому, что хими коаналитические приемы стали вытесняться более точными и более быстрыми физическими методами определения и идентификации. Современная химичес кая аналитика ориентирована на техническое оснащение высокого уровня. Раз витие инструментальной аналитики в сочетании с электронной обработкой дан ных не только расширило область применения аналитических способов, но и по зволило заметно понизить существующие прежде пределы обнаружения. Одно временно резко сократилась продолжительность самих анализов. Но это еще не означает, что полный успех способна гарантировать лишь дорогостоящая при борная техника, без которой вряд ли стоит рассчитывать на удовлетворительный результат. Различные спектроскопические методы, как то: спектроскопия ядер ного резонанса, ИК либо массспектрометрия, – широко используются сегодня при поиске ответов на многие вопросы касательно строения молекул или каче ственного и количественного состава веществ. От точности проведения анализов зависит развитие химических наук и всех так или иначе связанных с ними отраслей. С каждым днем все яснее становится значение инструментальной аналитики для технологического прогресса в целом. Далее, она незаменима на уровне распознавания и устранения факторов, опас ных для окружающего мира и вредных для здоровья человека. Таковы описанные вкратце и в целом области использования современной аналитики, форсирую щей развитие любой сферы науки, техники и вообще человеческой деятельности в цивилизованных государствах. Огромные объемы информации, полученной в результате ревизии действую щих химикоаналитических лабораторий, были взяты за основу при разработке

От автора

19

национальных и международных норм и регламентов применительно ко всем об ластям науки, здравоохранения и экологической защиты. Однако условием при нятия целесообразных и квалифицированных решений всегда были и остаются точные и надежные данные измерений, ибо даже незначительное искажение ре зультатов способно привести к нежелательным последствиям. Поэтому в сфере аналитики такие ключевые понятия, как «качество», «обеспечение качества» и GLP (gute Laborpraxis – хорошая лабораторная практика), определяют условия, при которых должны функционировать аналитические лаборатории. Здесь сле дует заметить, что требования к аналитике как таковой все больше возрастают, в то время как общие затраты на проведение анализов в силу мощной конкуренции на рынке специального оборудования практически не меняются. В связи с этим была поставлена дальнейшая, достаточно амбициозная цель: достижение макси мально высокого качества при минимально возможных затратах. Это послужило поводом для широкомасштабных преобразований, начавшихся сегодня в лабора торной практике. Руководители и сотрудники лабораторий обязаны строить свою работу, не в последнюю очередь, на принципах рациональности, эффективности и экономичности. Тенденция к всеобщей автоматизации и рационализации четко про является и в инструментальной аналитике. Производители аналитического обору дования, чутко уловившие эти запросы, предлагают все более чувствительные, бо лее точные и быстродействующие, значительно более удобные в обслуживании при боры и инструменты, отличающиеся высокой степенью автоматизации на всех уров нях – от отбора и подготовки проб до обработки данных. В достижении поставленной цели неоценимую помощь оказывают компью теры с соответствующим программным обеспечением. За последнее время были разработаны определенные регламенты, предлагающие однозначную систему га рантированного обеспечения качества. В техническом плане создаются условия для осуществления дистанционного обслуживания, контроля и управления ком плексными аналитическими системами. Раскинувшиеся по всему миру высоко скоростные сети призваны реализовать глобальный обмен информацией между разными предприятиями и корпорациями. Если ранее деятельность специалистааналитика ограничивалась преимуще ственно контролем качества изделий и изучением структуры новых веществ и материалов, то сегодня аналитические исследования полностью интегрированы в общий производственный процесс, что дает известные преимущества. Прежде изолированные друг от друга сферы – «производство» и «аналитика» – вынужде ны переходить на уровень тесного взаимодействия, в частности и в силу того, что именно оптимизация всех процессов способна эффективно влиять на создание стоимости. В качестве примера можно назвать стремление к повышению эффек тивности рутинной, то есть каждодневной и стандартной, аналитики за счет сни жения стоимости лабораторных анализов, дальнейшей автоматизации труда, бо лее удобного обслуживания оборудования, принятия специальных решений, эк спрессного получения результатов, текущего тестирования используемых средств контроля и постоянного накопления опыта и знаний. Автоматизация позволяет простым и надежным способом выполнять достаточно сложные анализы. Но ана литик при этом должен владеть современными технологиями, иметь представле

20

От автора

ние обо всех перспективных ноухау. Очевидным становится желание создать оп ределенные методические и технические связи между разными способами прове дения анализов с целью их совместного использования. Именно благодаря тако го рода сопряжениям, сочетаниям и совмещениям спектральных методов перво начально ориентированная на частное применение аналитика сделала значитель ный шаг вперед. Известно, что по мере развития промышленного производства человек все больше загрязняет свой окружающий мир сточными водами, отработанными га зами и отложениями разного рода. При этом неразлагающиеся отходы сохраня ются в почве, в воде и в воздухе, рано или поздно попадая в продукты питания и далее – в организм человека. Обнаружение содержащихся во внешней среде вред ных веществ остается одной из приоритетных задач аналитики объектов окружа ющей среды. К сожалению, при решении экологических проблем определяющим моментом нередко становятся связанные с этим затраты, в то время как развитие окружающего мира, насущные проблемы экономики и общества отодвигаются на задний план. Тем не менее рынок услуг в сфере аналитики именно на уровне защиты окружающей среды заметно изменился в последние годы, причем резко возросла потребность в достоверной информации. Экологическая безопасность производства тех или иных продуктов и изделий стала фактором конкуренции на международном уровне. И все же попрежнему существует очевидный диссонанс между бесспорным практическим значением аналитической химии и учебными планами кафедр спе циализированных вузов. В ФРГ аналитика традиционно связана с неорганичес кой химией. Решение многих вопросов, поставленных на уровне аналитических исследований, требует порой тесного взаимодействия на стыке наук с выходом далеко за рамки химии как таковой. Работать в сфере аналитической химии не возможно без специальных знаний из области собственно аналитики, без особо го способа мышления и умения принимать требуемые стратегические решения. При этом успех определяется конкретными действиями на всех этапах, начиная от правильного взятия проб, их максимально чистой подготовки (включая опти мальный выбор необходимого оборудования) и заканчивая грамотной обработ кой и интерпретацией полученных данных. В отличие от классических химичес ких дисциплин, разработка методов проведения анализов происходит не только в НИИ или высших учебных заведениях, но и в заводских лабораториях и на фир мах, занимающихся выпуском соответствующего оборудования. Аналитические инструменты стали проще по конструкции, удобнее в обра щении и меньше по размеру. Автоматизированные и компьютеризованные при боры облегчают процесс проведения анализов, но требуют одновременно доста точно высокого уровня квалификации сотрудников. К сожалению, обусловлен ное происходящей автоматизацией процессов сокращение персонала считается иногда более важным экономическим фактором, чем достоверность получаемых результатов. Не следует, однако, забывать о том, что окончательная оценка мето да и интерпретация данных осуществляются все же человеком, а компьютер яв ляется всего лишь его вспомогательным средством. Условием для принятия ква лифицированных решений были и остаются надежные и сопоставимые результа

От автора

21

ты анализа, которые достигаются лишь при наличии опытного и хорошо обучен ного персонала. Настоящая книга была задумана исходя в том числе и из этих соображений. Инструментальная аналитика не рассчитана на специалиста такого уровня, кото рый способен только управлять автоматами согласно прилагаемой инструкции и не знает, что же конкретно он делает. Данный учебник составлен практиком в области инструментальной аналитики, ориентированной на конкретное приме нение. Изучая общую химию, автор приобрел богатый опыт работы с «классичес кой» приборной (еще не компьютеризованной) техникой, а позднее создал в Ин ституте автоматизации производственных процессов (IPA) в Штутгарте лабора торию инструментальной аналитики, последовательно разрабатывающую опти мальные методы исследования поверхности. Полученные аналитические знания позднее широко использовались фирмой IBM при создании изделий на основе высоких технологий. Начиная с 1984 г. автор читает курс инструментальной аналитики в Техничес ком университете г. Ален в рамках специальности «методы исследования поверх ности и материаловедение». Первоначально разрозненные лекции были объедине ны в общий сборник, который постоянно расширялся и дополнялся все последние годы. Настоящее издание отражает современный уровень развития инструменталь ных методов и демонстрирует возможности их применения. Как используемая при борная техника, так и положенные в ее основу методы инструментальной анали тики максимально открыты для инноваций и требуют от всех пользователей по стоянного обновления и углубления своих знаний. Главной целью автора является доведение до читателя информации о новейших разработках в области инструмен тальной аналитики. Квалифицированный персонал химикоаналитических лабо раторий, учащиеся специализированных учебных заведений и все специалисты, так или иначе связанные с химией, могут почерпнуть здесь сведения о самых разных инструментальных методах анализа и получить ответы на многочисленные вопро сы из области аналитики. Для тех, кто только приступает к изучению заявленной тематики, довольно обширные и порой весьма сложные аспекты предлагаются в максимально дос тупной форме. При этом теоретические основы ограничены лишь объемом, не обходимым для понимания конкретных методов, рассмотрение же самых попу лярных из них приближено к практическим условиям с указанием возможностей и ограничений, равно как имеющихся достоинств и недостатков того или иного способа. Читатель получит полное представление о различных методах инстру ментального анализа с описанием требуемого для их реализации оборудования. Приведенная библиография и многочисленные ссылки на специальную ли тературу дают возможность при необходимости обратиться за более подробной информацией с целью расширения и углубления знаний по соответствующим вопросам. Юрген Беккер, Штутгарт

ÃËÀÂÀ 1 ÂÂÅÄÅÍÈÅ Без аналитических данных не обойтись, если физические, химические или био логические свойства материальных систем неорганической или органической природы, которые мы хотели бы понять, использовать или изменить, зависят от содержания компонентов данных систем. В равной мере это относится ко всем аспектам нашего материального мира и ко многим связанным с ним областям науки и техники, которые могут перемежаться и пересекаться друг с другом. Ве щественная сфера простирается от горных пород, минерального и органического сырья, водных систем, атмосферы, почвы, растительного и животного мира до объектов наших материальных потребностей. Прежде всего для распознавания примесей, способных изменять свойства за грязненных ими химических веществ, требуется предельно высокая способность к обнаружению при достаточной надежности информации, затраты на получение ко торой, конечно, не должны быть чрезмерными. Итак, три важнейших критерия оцен ки аналитического метода – чувствительность, правильность и стоимость – тесней шим образом связаны друг с другом [1.1]. Аналитическая работа стоит немалых денег, и затраты на проведение анализов в значительной мере зависят от поставленных воп росов, используемых методов, достоверности показаний, сложности обработки и общего объема работы. Рутинные лабораторные анализы безусловно обойдутся де шевле решения сложных аналитических задач, но это не причина отказываться от перспективных планов. В ситуации демпинговой политики в отношении персонала и стремления к снижению стоимости анализов особенно страдают аналитические лаборатории с низким уровнем специализации. Поскольку лабораторные анализы с применением методов по нормам DIN (Промышленный стандарт Германии) или DEV (Немецкие стандартные способы исследования воды) осуществляются порой сила ми не обладающих специальными знаниями сотрудников, то не стоит удивляться, имея на выходе весьма сомнительные результаты. Если мы хотим не просто предъя вить некие данные, так сказать, для проформы, но выполнить именно «правильные» анализы, нам следует работу на всех этапах – от взятия проб и до оценки результата – поручить квалифицированным специалистам. Сегодня область применения аналитических методов расширяется поразитель но быстрыми темпами. В технологии это были сначала только полупроводники и чистые вещества, позднее оптические волноводы и сверхпроводники, а теперь еще и высокотемпературная керамика – словом, все то, что требует наилучшей обна ружительной способности [1.2]. Возможность получать изделия воспроизводи мого качества является одним из важнейших условий современного производ ства. Используемые ныне методы анализа приобретают все более сложное инст рументальное оснащение, что значительно расширяет их перспективы. Многообразию методов, предлагаемых пользователю в области аналитичес кой химии, соответствует многообразие сфер их применения – от научных дис

Введение

23

циплин, таких как химия, физика, биология и медицина, и до множества техно логических отраслей. Взаимодействие между методической стороной аналитики и ориентированными на конкретное применение интересами пользователей от крывает пути для инноваций в аналитической химии, причем та или иная цель задается, в частности, стремлением к высокой чувствительности обнаружения, максимальной надежности и наиболее благоприятному соотношению цены и ка чества при использовании определенных аналитических методов. В общем и це лом можно отметить, что в сфере инструментальной аналитики еще никогда не удавалось измерять такой объем компонентов за столь короткое время, как это делается в настоящее время. Человеческий фактор уже на этапе взятия проб, их подготовки и дозировки с лихвой компенсируется автоматизацией и поддержкой со стороны робототехники, а выполняющее функции экспертной системы про граммное обеспечение оказывает помощь при оценке результатов измерений [1.3]. В деле решения текущих вопросов, касающихся характеристики веществ и материалов в зависимости от поставленной аналитической задачи, разработка новых способов на основе уже внедренной методики столь же необходима, как и совершенствование самих методов, когда методические предпосылки для реше ния возникающих проблем еще только предстоит создать. В области развития эле ментной аналитики методы следовых анализов, как и прежде, остаются в высшей степени актуальными, причем особые требования выдвигаются в отношении на дежности определения на все более сложных матрицах [1.4]. Это касается самых разных областей применения – от создания новых веществ [1.5] и до традицион ных отраслей биологии и медицины. В рамках производственного процесса ана литика повсеместно используется в самых разных формах. Здесь за основу берут ся четыре базовых понятия: получение активных веществ, безопасность выпол няемых операций, обеспечение качества и защита окружающей среды. Но что развивает наше общество сильнее, чем даже инновационные техноло гии, без которых не обойтись хотя бы в силу быстрого прироста мирового населе ния? Это, безусловно, все возрастающая опасность для окружающей среды и в конечном счете для здоровья и жизни человека [1.6]. К сожалению, в современ ном индустриальном мире далеко не все осознают, что без аналитической химии едва ли удастся требуемым образом оптимизировать технологии и минимизиро вать связанные с ними риски. Таким образом, аналитика из разряда первоначаль но вспомогательной дисциплины, стоящей на службе химической промышлен ности, вырастает до уровня всесторонне востребованной самостоятельной отрас ли, так что уже не будет большим преувеличением говорить о создании как тако вой аналитической науки (analytical science). Многие стоящие перед химиками цели и задачи можно свести к одной про стой формулировке: требуется находить и создавать полезные для человека веще ства, применяемые как биокатализаторы в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве, а также как материал для всех уже известных или еще стоящих на по роге открытия областей [1.7]. Печальный факт: Германия на протяжении несколь ких последних лет отстает в этом вопросе от Японии и США. Не стоит забывать, что упущения на уровне исследований ослабляют экономическое положение стра ны на мировом рынке. Справедливости ради следует отметить, что в области эко

24

Глава 1. Введение

логически чистых технологий, ставших в наши дни решающим фактором конку ренции, Германия занимает ведущее положение в мире [1.8].

1.1. Историческая справка Поиск подходящих активных веществ люди вели еще в доисторические времена. Занимаясь поиском пищи, они учились различать съедобные и ядовитые дары природы, в ходе собственных наблюдений отмечали целебное действие некото рых трав и т.д. На основе народной медицины проводились и первые воспроизво димые опыты по использованию природных соединений в терапии. В то время как воздействие того или иного вещества на биологическую систе му – будь то человек, животное или растение – в силу комплексности процессов сегодня еще не всегда понятно и требует тщательного изучения специалистами самых разных направлений, первые необходимые для жизни человека материалы были найдены или созданы им уже на ранней стадии развития. В качестве приме ра можно назвать металлы, керамику и стекло, а открытие бронзы и железа стало началом целых культурных эпох. Ранее человек опытным путем учился добывать вещества со специальными свойствами и особого качества. Он пытался их фор мовать, закалять или окрашивать. С учетом этого доисторического опыта развивалась затем современная наука, а именно на основе анализа и синтеза. Разные методы анализа учили нас пони мать состав, чистоту, структуру и качество поверхности. Благодаря взаимодействию анализа и синтеза удавалось распознавать определенные свойства и структуры и затем сознательно придавать отдельным веществам специальные признаки. Сей час полным ходом идет процесс создания новых перспективных материалов с осо быми механическими, тепловыми, электрическими и магнитными свойствами. Хотя работы, направленные на получение новых активных веществ и иных материалов, могут в корне отличаться друг от друга, в любом случае трудно не согласиться с тем, что исследования во всех названных областях становятся все более целенаправленными и ведутся скорее на основе умозаключений и реже – эмпирическим путем. Знание отношений между структурой и действием, а также между строением и свойствами все чаще позволяет решать проблемы на молеку лярном уровне. При поддержке эффективной аналитики подобные разработки могут способствовать решению многих проблем с принятием во внимание всех необходимых аспектов – удобства и простоты в обращении, совместимости с ок ружающей средой и экономии ресурсов. Использование весов при проведении химических экспериментов, чем мы обя заны А.Л. Лавуазье (1743–1794 гг.), положило начало эпохе так называемой со временной химии. Р.В. Бунзен (1811–1899 гг.) и Р. Фрезениус (1818–1897 гг.) счи таются основателями аналитической химии в Германии. Бунзен уже в середине XIX века проводил фундаментальные исследования химических процессов, про ходящих в доменных печах. Одним из замечательных результатов его деятельнос ти стала возможность заметного снижения удельного расхода топлива. Профес сор Фрезениус открыл в 1848 г. в Висбадене частную учебную лабораторию, объе динив под одной крышей исследовательскую работу, учебные занятия и приклад

1.1. Историческая справка

25

ную химию. В центре активной работы этого учреждения находились прежде все го проведение анализов воды, исследование технических изделий и минералов, определение качества сахара и алкоголя, обнаружение неорганических компонен тов в растениях, анализ почв и удобрений, а также изучение атмосферного возду ха [1.9]. В. Оствальд (1853–1932 гг.) в 1894 г. издал в Лейпциге книгу под названием «Научные основы аналитической химии», отказываясь тем самым от привычного тогда представления об аналитической химии как о некоем вспомогательном пред мете. За свои основополагающие работы по изучению катализа Оствальд получил в 1909 г. Нобелевскую премию в области химии. Далее последовали достижения ВантГоффа (1852–1911 гг.), З.А. Аррениуса (Нобелевская премия по химии в 1903 г.) и В.Г. Нернста (Нобелевская премия по химии в 1920 г.). Эта классическая эпоха аналитической химии протекала преимущественно под знаком химических реак ций, объединенных в целях достижения аналитического разделения, что в своей основе превосходно оправдывало себя в прикладной аналитике на протяжении многих десятилетий. Открытие новых химических элементов было мощнейшим импульсом для творческого подъема среди химиков, причем разработка каждого нового способа анализа влекла за собой дальнейшие открытия. Если элемент германий был от крыт в 1886 г. уже известным к тому времени методом химического осаждения, то выделение для щелочных металлов рубидия и цезия в минеральных водах Р. Бунзе ну совместно с физиком Кирхгоффом (1824–1887 гг.) удалось разработать в 1861 г. с помощью эмиссионного спектрального анализа. При химическом разделении про слеживались важнейшие спектральные линии обоих металлов, а после каждого вы полненного разделения продолжалось отслеживание той их части, где линии ока зывались наиболее интенсивными. Позднее на основе эмиссионного спектрально го анализа были открыты: таллий (1861 г.), индий (1863 г.), галлий (1875 г.) [1.10]. В качестве другого примера можно упомянуть развитие радиохимических ме тодов, которые привели мадам Кюри в 1898 г. к обнаружению радия и полония. За открытие этих элементов, а также их описание и исследование с указанием эф фективного выделения Мария Кюри получила в 1911 г. Нобелевскую премию в области химии. Далее последовали успехи других ученых: в 1922 г. был найден гафний, а в 1925 г. – рений как последний из отсутствующих в периодической системе естественных элементов, причем достигнуто это было именно на основе только что внедренного в практику рентгеноспектрального анализа. С расцветом химической промышленности на эту положительную фазу, свя занную с накоплением новых знаний (открытие не известных ранее элементов, создание теории атомов, теории газов, закона действия масс, изучение стехио метрии, процесса расщепления ядра и др.), накладывалась и отрицательная, где в значительной мере девальвировалась научная сторона аналитической химии. Последняя использовалась в основном только для стандартного контроля про дуктов синтеза, в ходе которого эти продукты приходилось вновь подвергать раз ложению, привлекая дополнительные средства. Для характеристики органических продуктов синтеза на протяжении достаточ но долгого времени предлагался исключительно анализ органических элементов в

26

Глава 1. Введение

качестве единственного аналитического принципа. Таковой был разработан Ю. фон Либихом в 1837 г., а позднее усовершенствован сначала Ф. Преглом в 1920е годы, затем к этому процессу подключились и многие другие микроаналитики. За раз витие микроанализа органических веществ Прегл получил в 1923 г. Нобелевскую премию по химии. Если во времена Либиха использовались еще пробы весом до грамма, то теперь их вес был снижен до нескольких миллиграммов. Это не только позволило сократить продолжительность анализов, но и дало возможность про водить элементные анализы дорогостоящих природных соединений. Предприни мались многократные попытки сократить навески проб до нижнего мкгдиапазо на, однако эти довольно затратные методы позднее были заменены массспект рометрией. Вообще, 1920–1930е годы были периодом развития классического микроана лиза. При этом в качественном анализе предпочтение отдавали исследованиям с помощью паяльной трубки и микрокристаллическим реакциям, которые были не только в своем роде эстетичными, но и чрезвычайно чувствительными и более на дежными, чем ранее популярные цветовые и капельные реакции. Но в 1950–1960е годы работы по развитию и совершенствованию приемов в методах микроисследо ваний начали сворачиваться по причине сложившегося к тому времени весьма от рицательного отношения общественности к аналитической химии в целом. В гораздо более благожелательной обстановке, чем это было в случае с хими ческой промышленностью, развивалась в 1950е годы элементная аналитика в гео химии и металлургии. Здесь значительно раньше, чем в других отраслях, была осоз нана ее незаменимость в деле оптимизации свойств продукции (например, сплавов и сталей), а также при получении новых знаний о строении земной коры, что уско рило добычу содержащихся в недрах Земли сырьевых ресурсов. Была сделана став ка на спектральный анализ Бунзена с привлечением множества последующих сти мулов, способствующих развитию современной инструментальной аналитики. Од нако, несмотря на уже начавшееся активное внедрение физических методов анали за – спектроскопии, – химическая аналитика по сей день остается в первую очередь той областью химии, открытия в которой нередко делаются, так сказать, «на кон чике пера», ибо только глубокое знание веществ и материалов способно создать прочную базу для собственно аналитической химии.

1.2. Преимущества инструментальной аналитики Прямые инструментальные приемы являются в основном физическими относи тельными методами, где аналитические измеряемые величины отличаются от ре зультатов в классической аналитической химии (пример: масса осадка), представ ляя собой электрические параметры, обусловленные, допустим, пучками элект ронов, фотонов, нейтронов и ионов. Искомая концентрация или, соответствен но, определяемое абсолютное количество элемента либо соединения становятся, таким образом, функцией соответствующей калибровки оборудования. При условии правильно выполненной калибровки приборной техники преиму щества инструментальной аналитики состоят, вопервых, в возможности регистри ровать очень малые (следовые) концентрации (вплоть до нижнего микродиапазона),

1.2. Преимущества инструментальной аналитики

27

причем с использованием сравнительно небольшого количества вещества, и, вовто рых, в быстроте проведения анализа, чем обеспечиваются предпосылки для автома тизации процесса и многократного использования одной и той же пробы, поскольку исследуемое вещество в ходе анализа не претерпевает никаких изменений.

1.2.1. Следовая аналитика

Погрешность, %

Методы классической аналитической химии, дающие при определении содержа ния чрезвычайно точные результаты вплоть до тысячной доли процента, основа ны преимущественно на химических реакциях, в том числе на реакциях осажде ния труднорастворимых продуктов (гравиметрия) либо интенсивно окрашенных продуктов (титриметрия). Поскольку подлежащие исследованию элементы нахо дятся в виде ионов в водном растворе, можно говорить о «мокрых» способах хи мического анализа. Эти классические методы определения сверхмалых объемов уже не годятся для экономичной лабораторной аналитики в следовом диапазоне. Если, например, надо выполнить количественное определение концентрации элемента 1 нг/г в клетке, то уже потребуется метод определения с абсолютной об наружительной способностью в фемтограммовом диапазоне (1 фг = 10–15 г). По нятно, что аналитическая информация и в этом случае должна быть еще доста точно надежной. Сомнительность полученных данных не исключена сегодня на всех фазах аналитического процесса, когда приходится определять ничтожно ма лые концентрации в единицах нг/г и ниже. Причиной такого положения являет ся наличие систематических погрешностей, которые имеют в традиционных ана лизах лишь второстепенное значение, но роль которых резко возрастает при оп ределении все более низкого содержания элементов. В то время как известные статистические ошибки не выходят за рамки зако нов вероятности и поэтому математически хорошо описаны (что позволяет со кратить их число за счет многократного повторения измерений), источники сис тематических погрешностей нередко имеют комплексную природу, поэтому рас познаются с большим трудом и от них не застрахованы даже самые опытные спе

Миллиардные доли

Миллионные доли

Рис. 1.1. Возрастание ненадежности результатов следового анализа при определе нии все меньшего содержания

28

Глава 1. Введение

циалисты по следовым анализам. Таким образом, минимизация систематических погрешностей стала главной проблемой ультраследового анализа (рис. 1.1). Мак симально возможное исключение такого рода ошибок требует очень большого опыта и, прежде всего, квалифицированной критичности. Здесь отмечается тенденция к развитию экономичных инструментальных пря мых методов, реализуемых с применением весьма дорогостоящего оборудования и основанных на физических принципах. Специалисты сразу взяли на вооруже ние современный термин «инструментальная аналитика». С точки зрения необ ходимых затрат важную роль играют экспрессные прямые методы определения для использования в стандартных анализах, в том числе и с управлением в режи ме реального времени. Производители соответствующего оборудования предла гают широкий выбор самых разных измерительных схем – от высокоэффектив ной исследовательской установки до миниатюрного устройства для проведения анализов прямо на рабочем месте.

1.2.2. Высокий оборот проб В настоящее время все более популярным становится такое понятие, как «произво дительность», «эффективность» или «продуктивность». Повышение производитель ности является непременным условием достойного уровня жизни, каковой обще ственная система способна предложить своим гражданам. Поэтому частные про мышленные предприятия и многие общественные организации неустанно ищут и находят все новые пути улучшения качества товаров и услуг. Изготовители научно исследовательского оборудования оказались в последние десятилетия в числе тех, кто наиболее энергично способствовал повышению производительности в самом широком смысле этого слова. Вспомним хотя бы, как выглядела раньше типовая аналитическая лаборатория. В ней имелся огромный запас стеклянных принадлеж ностей – разного рода пипеток и бюреток и несметное число высококвалифициро ванных научных сотрудников, которые проводили полный рабочий день за лабора торным столом. Но результат их каждодневного труда был, мягко говоря, неадек ватным: ничтожное число исследованных образцов. В настоящее время вследствие использования современных высокоэффектив ных приборов объем выполненных работ резко вырос. Сегодня многие лаборато рии ежедневно анализируют, как правило, тысячи образцов, а полученная в ре зультате этих усилий дополнительная информация служит основой для последу ющих исследований. Минералы и масла обнаруживаются сейчас гораздо эффек тивнее, быстрее перерабатываются в конечные продукты, причем количество отходов сильно сокращается – и все это заметно снижает объем затрат! Доброт ность используемых в промышленности сырьевых материалов и конечной про дукции за последние годы несомненно повысилась, так что потребитель вправе ожидать и значительно более качественных, чем в прошедшие годы, продуктов питания, фармацевтических изделий и товаров длительного пользования. Нормы обеспечения качества требуют высокоэффективных аналитических ис следований в ходе всего производственного процесса. Вместо принятого ранее взя тия выборочных образцов ныне все чаще переходят к проверке каждой отдельной

1.3. Спектроскопия

29

упаковки – например, в рамках контроля поступления товаров. В связи с этим ана литика должна быть готова к наплыву все большего объема проб, а обработка много кратно возросшего объема материала при том же (или даже меньшем) количестве сотрудников возможна только на основе автоматизации и экспрессных методов ана лиза. Поскольку основная часть времени обычно приходится на пробоподготовку, то ускорить работу в целом удается преимущественно за счет сокращения времени на эту операцию либо даже полного отказа от нее. Таким образом, можно говорить о тенденции к переходу на методы измерения, интегрированные в процесс либо дей ствующие в реальном масштабе времени (Inline и, соответственно, Оnline). Представьте себе тот огромный объем анализов, который необходимо выпол нять в настоящее время в рамках защиты объектов окружающей среды. С ручными способами из прошлых времен здесь просто нечего делать! Ясно, что без современ ного аналитического оборудования мы не могли бы сегодня столь эффективно конт ролировать процессы и управлять состоянием окружающего мира, в котором живем. Обработку большого объема материала для текущих анализов можно теперь пе реложить на плечи машин и автоматов. Эффективно действующие аналитические автоматические устройства обычно обходятся дешевле, чем обслуживаемые вручную приборы для проведения классических анализов. При этом автоматы выдают резуль таты, не обремененные субъективной оценкой (например, со стороны обслуживаю щего персонала). Автоматическое оборудование, используемое в инструментальной аналитике, можно классифицировать примерно следующим образом: • полуавтоматические устройства, при которых часть операций собственно анализа выполнятся вручную, • полностью автоматические устройства, обеспечивающие полностью авто матический процесс выполнения анализов, • логические автоматы – частично или полностью автоматические устрой ства, способные на основе результатов измерений изменять (например, оптимизировать) ход анализа, • автоматы управления процессом – системы, обеспечивающие дальнейшую обработку результатов анализа в микроЭВМ (например, при управлении дозировочными насосами). В настоящее время стремительно растет спрос на все более производитель ные, более гибкие автоматические системы подготовки и обработки проб. Сами же устройства – по причине оснащения их ЭВМ и при наличии микропроцессор ного управления – все меньше нуждаются в обслуживающем персонале. Во избе жание ошибок и погрешностей оборудование снабжается автоматической систе мой контроля результатов, выдающей сообщение об ошибке, если измерения вы ходят за границы поля допуска.

1.3. Спектроскопия Большую часть сведений о строении материи получают на основе эксперимен тов, в ходе которых свет – или, как обычно говорят, излучение – и материя всту пают в определенное взаимодействие. Со времени первого практического спект

30

Глава 1. Введение

рального анализа, проведенного Бунзеном и Кирхгоффом, основанная на взаи модействии между излучением и материей спектроскопия с ее огромным много образием методов превратилась в важнейшее вспомогательное средство современ ной аналитики. Это можно объяснить как прогрессом в области совершенствова ния оборудования, так и фундаментальными теоретическими трудами, успех ко торых был бы невозможен без – открывающих новые пути – познаний в области квантовой механики. Известно, что свет имеет двойственную природу – волновую и корпускуляр ную, и для его описания используются характеристики двух видов: волновые и квантовые. Одни физические явления, вызванные взаимодействием света и материи, мо гут быть описаны с помощью волновой природы света, другие – только на основе корпускулярной теории. Видимый свет является примером электромагнитного излучения. В качестве других примеров можно назвать: рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение и инфракрасное излучение. Все эти виды излучения имеют нечто общее: их можно регистрировать в виде электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света и отличающихся только частотой. Развитие классической спектроскопии и применение абсолютно новых принци пов в спектральной аналитике стали основными причинами повышения роли спек троскопии в наше время. Она обладает столь мощными информационными возмож ностями, что можно смело утверждать: современная атомная и молекулярная спект рометрия способна дать ответ практически на любой осмысленный вопрос из облас ти аналитики. Еще 30 лет назад спектры УФизлучения и комбинационного рассеяния света регистрировались с помощью фотопластинок, а спектры ИКизлучения точка за точкой записывались гальванометром, причем оснащенные трубками аналого вычислительные усилители считались вершиной конструкторской мысли, а спект рограммы составлялись путем механической сортировки перфокарт. Суть любого контроля качества – это вопрос идентичности. Для практичес кой работы контрольной лаборатории требуются измерительнотехнические спо собы, обеспечивающие квантуемые и воспроизводимые параметры. Определен ная измерительная техника всегда может отобразить лишь часть всех свойств про дукта и в идеале должна выборочно регистрировать признаки, указывающие на то или иное качество. К простому измерению относится определение температур плавления и кипения, показателя преломления или вязкости. Если же речь идет о химических различиях, селективности таких способов оказывается явно недоста точно. С другой стороны, химические анализы, производимые известным «мок рым способом», нередко занимают слишком много времени, особенно если тре буется получить количественные показатели. Итак, запомним: спектроскопия есть наука о взаимодействии между светом и материей. Внедрение спектроскопии в сферу аналитики послужило мощным стимулом для ее развития и совершенствования. Одномерные способы анализа дают для каждого вещества всего одну измеряемую величину (температуру плавления, вре мя запаздывания и т.д.). Методы спектроскопии представляют собой как мини

1.3. Спектроскопия

31

мум двухмерные способы анализа, дающие для вещества в каждом разрешимом диапазоне длин волн (или масс) спектра хотя бы одно значение интенсивности. Поэтому информативность спектроскопии достаточно велика для того, чтобы от ветить практически на любой вопрос из области аналитики. Это, собственно, одна из причин успешного развития спектроскопических методов анализа. Спектроскопия по определению занимается описанием атомов, ионов, ради калов и молекул на основе регистрации и расшифровки их спектров, получаемых с помощью различных измерительных устройств, среди которых можно назвать: атомноабсорбционный спектрометр, атомноэмиссионный спектрометр или спектрофотометр. Спектроскопические приборы состоят, как правило, из трех основных узлов: источника излучения, устройства для спектрального разложе ния и детектора для измерения излучения. Практическая спектроскопия очень скоро начала развиваться в двух направ лениях, разделившись на атомную и молекулярную. Аналитические методики использовали для этой цели переходы в схемах энергетических уровней молекул и атомов с квантами излучения (фотонами) из участков спектра от рентгеновско го излучения до ультракоротких волн. При атомной спектроскопии речь идет о качественном и количественном определении элементов в разных веществах и областях концентраций. Сюда относятся, например, способы атомной абсорбции, атомной эмиссии и рентгеновской флуоресценции. Методы молекулярной спек троскопии на основе УФ/видимой, ИКобластей спектра, комбинационного рас сеяния и ЯМР (ядерный магнитный резонанс) позволяют сделать вывод о связях и структуре молекул. Характеристические полосы или комбинации полос спект ра могут стать свидетельством того или иного качества, равно как и основой для определения отдельных компонентов. К общему понятию «спектроскопия» относят также методы массспектромет рии и электронной спектрометрии. Хотя, строго говоря, массспектрометрия не является методом, основанным на взаимодействии между электромагнитным из лучением и материей, а есть метод разделения. Многообразие предлагаемых методов позволяет получить ответы на весьма специфические вопросы, для чего можно взять на вооружение: микро и следо вый анализ, анализ поверхности, исследование тонкой структуры комплексных систем и аналитику реактивных систем. Многие спектроскопические способы действуют недеструкционно, то есть без разрушения образца, что позволяет мно гократно и поразному исследовать одну и ту же пробу, которая и после этого впол не еще может быть пригодна для дальнейшего изучения. Это особенно удобно, например, в случае анализа произведений искусства или при конечном контроле качества готовых изделий. Но особенно важным представляется то обстоятель ство, что многие спектроскопические способы могут быть реализованы непос редственно на месте нахождения подлежащего исследованию образца, а резуль тат анализа выдается в реальном времени, что позволяет своевременно вмешать ся в процесс, осуществляя требуемые регулировки, либо вообще прервать работу в связи с аварийной ситуацией и т.п. Сегодня представляется излишним говорить о значении физикохимических методов анализа, которые стали повседневным делом каждой современной хи

Глава 1. Введение

32

микоаналитической лаборатории. С помощью спектроскопических методов уда ется решать, в частности, следующие задачи: • • • •

находить и добывать сырьевые ресурсы, разрабатывать новые изделия и технологии, проектировать и оптимизировать производственные процессы, обеспечивать требуемое качество выпускаемой продукции.

Благодаря многообразию возможностей применения, высокой точности ре зультатов и замечательной чувствительности обнаружения, не говоря уже о суще ственном сокращении времени на проведение анализов, спектроскопические методы достигли высшей степени экономической эффективности. Без них сегод ня не произвести ни одной тонны стали, не создать ни одного электронного бло ка. Существуют законодательно установленные требования в отношении каче ства продуктов питания, а также таких жизненно важных материй, как вода и воз дух, и, наконец, лекарственных препаратов разного рода, и эти требования под лежат строгому выполнению. С помощью спектроскопических методов удается держать под контролем и побочные продукты человеческой деятельности: мусор, отработанный воздух и сточные воды. Исследование экономических основ в ши роком смысле – от биохимии до астрономии – немыслимо без современных спек троскопических методов анализа. В настоящее время в области инструментальной аналитики все чаще находят применение компьютеры, благодаря чему само оборудование становится удобнее и проще в обслуживании, а обработка результатов возможна в любой форме. В этих условиях оператору в принципе достаточно иметь лишь общее представление о сути анализа, а иногда он может вообще ничего не знать о нем. Однако при этом не сто ит забывать (и здесь кроется главная опасность!), что надежность того или иного прибора всегда зависит от точности его калибровки, и, следовательно, необходимо постоянно и скрупулезно проверять получаемые результаты. Аналитическое уст ройство не должно становиться своеобразным «черным ящиком», а вычисленные показатели ни в коем случае нельзя слепо доверять компьютеру, поскольку тот спо собен лишь обработать результаты выполненного анализа. Но «правильный» ана лиз во многом зависит от тщательности отбора проб, их подготовки и обеспечения соответствующих условий работы. Практически все используемые в спектроскопии приборы содержат – часто в модульном исполнении – системы для взятия проб и возбуждения аналитическо го сигнала. Далее вступает в действие спектрометр для создания спектра в инте ресующем интервале длин волн и выделения специфичного для данного веще ства сигнала; затем наступает очередь детекторной системы для регистрации из мерительного сигнала и, наконец, за дело принимается устройство для обработки данных измерения. Важная роль отводится и системе управления всеми процес сами измерения с поддержкой вычислительных машин. В последние годы в этой области особой популярностью пользуются персональные компьютеры. Наряду с внедрением высокопроизводительных ПК, развитию многих новых методов ана лиза эффективно способствовало появление таких конструкционных узлов, как лазерные источники излучения и волоконные световоды.

1.4. «Ничто»: как его найти

33

Сегодня автоматизированы многие трудоемкие операции (взятие проб, их подготовка, размещение в устройстве), а световые волокна дают возможность ис следовать образцы, которые находятся за пределами спектрометра либо относят ся к опасному, чувствительному или весьма ценному материалу. Предполагается, что в будущем многие анализы, выполняемые сегодня еще по методу Либиха (от бор проб, транспортировка их в лабораторию, проведение собственно анализа, обработка результатов), будут осуществляться в реальном времени прямо на ра бочем месте либо с применением миниатюрных специализированных спектро метров или оптических волноводов, соединяющих разные пункты взятия проб с центральным спектрометром. Целью настоящего издания является обсуждение проблем спектроскопии, но не стоит рассматривать эту книгу как пособие для спектроскописта. Она обраще на, прежде всего, к занятым в промышленном производстве химикампрактикам и инженерам, использующим спектроскопические исследования в качестве вспо могательного средства при решении разного рода химических задач. Изложенное выше введение призвано дать обзор существующих спектроскопических методов и побудить названную целевую группу активнее привлекать эти методы в своей собственной работе.

1.4. «Ничто»: как его найти Понятно, что расстояние от Штутгарта до Красной площади в Москве не покро ешь за два прыжка: между ними протянулась воздушная линия длиной в 2000 км. Два миллиметра этого пути составляют 1 ppb (миллиардная доля), что соответ ствует одной миллиардной части всей трассы. Уже в данном случае – при нали чии числа «всего» с девятью нулями – наступает предел человеческому воображе нию. Способность человека представить определенный размер или число связана скорее с его повседневной жизнью: каждому понятно, например, какова тяжесть одного килограмма. Ни одному человеку не составит труда показать руками при мерную длину в один метр. И любой знает, сколько длится один час, особенно если его приходится провести в томительном ожидании. Но вот при упоминании тысячи тонн, сотой доли миллиметра и 4000 лет человек уже чувствует границу, за которой его воображение бессильно, а уж число световых лет, количество наносе кунд и частей на миллиард заставит его разум полностью капитулировать. В былые времена столь редкими единицами измерения оперировали исклю чительно естествоиспытатели. Но сейчас подобное обозначение можно встретить во всех средствах массовой информации, когда сообщается, скажем, о мощности электростанции (мегаватт), об открытии нового гормона (микрограммов) или о загрязнении грунтовых вод (частей на миллиард). Современная аналитика занимается, так сказать, «миром после запятой». За пос ледние два десятилетия ни одна наука не достигла столь впечатляющих успехов, как аналитика – наука обнаружения веществ и определения их концентраций. Если более 40 лет назад количество любого вещества до десятой части промилле прихо дилось считать равным «нулю», то сегодня мы вполне можем обнаружить всего одну миллиардную часть грамма. Таким образом, данная наука способна определять коли

34

Глава 1. Введение

чества на уровне следов, что абсолютно не поддается человеческому воображению, и этот успех придал совершенно новое измерение, в частности, обсуждению проблем защиты окружающей среды. Практически уже можно попытаться обнаружить нечто, обозначаемое ранее как «ничто». Это касается в том числе и упомянутых выше следо вых остатков в почве, воде, воздухе и, наконец, в продуктах питания. Строго говоря, «нулевого остатка» вообще не бывает, но аналитика обнару живает еще и следы какихто следов. Нуль, таким образом, остается теоретичес кой величиной, к которой можно приблизиться, но никогда нельзя достигнуть. Рисунок 1.2 наглядно демонстрирует величины концентрации на уровне ультра следов. Самым чистым веществом, какое сегодня можно изготовить, является кремний. Даже при использовании способа зонного плавления удается в лучшем случае получить чистоту порядка 109 примесных атомов на см3. Если упрощенно принять 1023 атомов на см3, это соответствует загрязнению, равному примерно 1014 атомов, или 0,01 ppt (триллионная доля).

Пример: содержание одного куска сахара (2,7 г), растворенного в:

1 процент есть 1 часть из 100 частей

1 ppb (part per billion) есть 1 часть из 1 миллиарда частей (миллиардная доля)

10 граммов на килограмм

1 микрограмм на килограмм

0,27 литра

2,7 миллиона литров

10 г/кг

0,000 001 г/кг

1 промилле есть 1 часть из 1000 частей

1 ppt (part per trillion) есть 1 часть из 1 триллиона частей (триллионная доля)

1 грамм на килограмм

2,7 литра

1 г/кг

1 нанограмм на килограмм 0,000 000 001 г/кг

1 ppm (part per million) есть 1 часть из 1 миллиона частей (миллионная доля)

1 ppq (part per quadrillion) есть 1 часть из 1 квадрильона частей (квадрильонная доля)

1 миллиграмм на килограмм

1 пикограмм на килограмм 0,000 000 000 001 г/кг

0,001 г/кг

Пруд

2700 литров

Рис. 1.2. Наглядные примеры величин концентрации

2,7 миллиарда литров

Озеро

2,7 триллиона литров

1.4. «Ничто»: как его найти

35

Но высокая эффективность аналитики имеет и свои подводные камни: вновь и вновь приходится сталкиваться с ситуациями, когда из результатов анализа де лаются ошибочные выводы, поскольку обращение с «крошечными» размерами требует строгого соблюдения множества граничных условий. Все мы являемся в некотором смысле заложниками аналитики, оставляя без ответа вопрос: какую же концентрацию «подозрительного» вещества всетаки считать опасной? Здесь наука просто ставит нас в тупик. Политики уходят от ответа, возросшая чувстви тельность методов обнаружения будоражит общественность. Благодаря чрезвычайной чувствительности современной аналитики мы мо жем обнаружить в почве, в воде, в воздухе и в наших продуктах питания гораздо больше веществ, и среди них будут те, о которых мы ранее даже не подозревали, ибо не располагали необходимым оборудованием. Многие из этих веществ присутствуют лишь в виде едва различимых следов, лежащих много ниже своего порога токсичности. Кроме того, в случае большин ства следовых концентраций мы ничего не знаем о токсикологической или эко логической релевантности, то есть оценка результатов определенно отстает от прогресса в области самой следовой аналитики. Также и при обсуждении допус тимых нагрузок на окружающую среду все чаще используются такие понятия, как ppm (миллионная доля), ppb (миллиардная доля), ppt (триллионная доля), а с не давнего времени даже ppq (квадрильонная доля), в отсутствие четкого представ ления о фактическом объеме обозначенных такими единицами «загрязнений» либо о добротности полученных результатов анализа. Пожалуй, трудно найти наглядные примеры для такого рода величин. Впрочем, одна часть на тысячу других, то есть промилле, нам еще знакома – прежде всего, по опыту проверки содержания алкоголя в крови у водителей автотранспорта. Что каса ется ppm, то здесь можно в шутку представить одного жителя Пруссии (пруссака) в миллионном городе Мюнхене, то есть 1 P(reuse) p(ro) M(ünchen) – «один пруссак на Мюнхен», а вот с ppb дело обстоит гораздо сложнее, так как эта единица будет озна чать 5 человек на все население Земного шара, если принять таковое за 5 миллиар дов. Следующий (в сторону уменьшения) размер – ppt – мог бы продемонстрировать факт засорения 100 000 тонн пшеницы в товарном составе длиной 20 км однимедин ственным зернышком ржи или – в пересчете на меру длины – отобразить «отрезок» в 0,4 миллиметра на пути от Земли до Луны. …Вряд ли стоит продолжать. Далее любая попытка привести наглядный пример просто потерпит крах. При подобных порядках величины уже никого не удивляет, что в настоящее время некие субстанции обнаруживаются даже там, где этого никто не предпола гал. Люди снова и снова слышат и читают о таких «находках», однако это не означа ет, что найденных сейчас веществ ранее здесь не было, – просто прежде их не уда валось обнаружить. Этот нюанс нередко остается за рамками общественных дис куссий. Решения о вреде или пользе, о степени опасности, о необходимости выра ботки адекватных мер принимаются не на основе того факта, что какоето вещество вообще обнаруживается. В значительно большей степени это зависит от измерен ного объема данного вещества и от степени вероятности нашего с ним контакта. Лишь та доза, которую человек действительно поглощает, имеет значение при рас смотрении воздействия на его организм того или иного материала [1.11]. Еще по

36

Глава 1. Введение

чти 500 лет назад врач Т.Б. фон Хоэнгейм, известный под именем Парацельзуса, кон статировал: «Ничто, поглощенное в избыточном количестве, абсолютно безвредно». Тем не менее, если оставить в стороне иронию, именно сверхточные результа ты измерения в современной химической аналитике используются ныне как ору жие против самой химии и ее так называемых ядов. И все же аналитика с ее со временным техническим оснащением сумела обеспечить ученым подходы к тем сферам, которые долгое время оставались для них недосягаемыми. Достаточно упомянуть хотя бы значение «следовых элементов» в нашей повседневной жиз ни. В слишком высокой концентрации они действуют как токсины, в точно вы веренном объеме признаются порой даже полезными, а при недостатке способны вызвать синдром дефицита. Для получения надежных результатов требуется самая тщательная подготовка и правильное проведение анализа, что особенно справедливо в отношении измере ний следов тех или иных веществ. Эти требования касаются не только процесса взятия проб, их хранения и подготовки, но также оснащения лаборатории, квали фикации (и поведения) персонала, выполняющего определенные операции. Если, например, вы позволяете себе курить в лаборатории, то не стоит удивляться, обна ружив повышенное содержание кадмия в исследуемом веществе; попытка же изме рить на вощеном лабораторном столе содержание углерода в количестве менее мил лиграмма на литр будет по понятным причинам обречена на провал, а что уж гово рить об определении следов металла в пробах воды, взятых металлическим ведром! Еще более проблематична ситуация, когда абсолютно необоснованно счита ют, что действие следов веществ соотносится с их концентрацией. Это объясняет ся, вероятно, тем, что мы еще со времен Ньютона и Декарта привыкли обобщать и экстраполировать на основе нашего привычного линейного представления о нераздельности причины и действия. Сегодня приходится отказываться от уста ревших способов мышления, в том числе и в материальной сфере. Экстраполя ции и обобщения, вполне уместные при определении достаточно высоких кон центраций, оказываются абсолютно недопустимыми в случае очень низкого со держания вещества. Нам придется научиться мыслить более многослойно и ком плексно. Все чаще мы вынуждены, наряду со столь удобными решениями типа «илиили», допускать и решения на уровне «как …, так и …», если мы хотим соот ветствовать реалиям нашего сложного мира. Понятия «правильно» и «неправильно» можно однозначно применять, пожа луй, только в сфере качественной аналитики. Однако с точки зрения количествен ной аналитики эти определения в некоторых областях вообще неприемлемы. Обычно количественный анализ считается правильным, если он может быть вос произведен в диапазоне статистически установленных границ погрешности. И при этом уже вообще никакой роли не играет тот факт, что полученный результат мо жет оказаться безнадежно ошибочным. Это означает, что в сфере количественно го анализа к понятиям «правильность» и «неправильность» приходится добавлять еще третье понятие – сравнимость, или сопоставимость, результатов. Количественный анализ считается правильным, если в области заданной ста тистической достоверности от раза к разу получают одинаковые результаты ана лиза. Стандарты калибровки приборов, как правило, тщательно изучаются и слу

1.4. «Ничто»: как его найти

37

жат мерой всех вещей. Но если иной стандарт не подходит, аналитики вынужде ны находить сопоставимые параметры. Следовательно, анализ классифицирует ся как «правильный», поскольку ни один аналитик не работает по другой методи ке и другим стандартам. Значит, возможности получать правильные, неправиль ные либо сопоставимые результаты в области количественной аналитики уста навливаются иногда просто волевым решением.

1.4.1. Пример: платина Из многочисленных примеров, наглядно доказывающих необходимость более широкого аналитического мышления, здесь можно упомянуть и не столь пока распространенную ситуацию, в которую нас ввергло внедрение платиновых ката лизаторов. Платиновые катализаторы в значительной мере способствуют умень шению эмиссии окиси азота и углеводородов. Для этой цели ежегодно перераба тывается около 50 тонн платиновых металлов [1.12]. Правда, в небольшом объеме платина все же выделяется и накапливается в окружающей среде, ибо даже в ра бочих условиях катализатора она не может вести себя абсолютно индифферент но. При используемых у нас трехходовых катализаторах объемы высвобождаю щейся платины достигают всего лишь среднего нанограммового диапазона из рас чета на километр движения. Впрочем, эти столь мизерные объемы со временем заметно возрастают за счет постепенного накопления. При современном уровне знаний пока еще нельзя уверенно констатировать вероятность наступления тех или иных физиологических последствий для орга низма человека в результате воздействия на него этой высвободившейся плати ны. Речь может идти в данном случае о платиновой астме, платинозе, раке, но повторим: необходимо тщательно изучить еще и характер распределения и вид связи платины как важнейших критериев оценки риска. Поскольку естественная и присущая всем концентрация платины в крови со ставляет около 10–9%, то необходимые методы для определения объема в едини цах пикограммов еще нуждаются в тщательной проработке. Тем не менее уже се годня удается надежно устанавливать столь низкие концентрации платины в орга низме человека и в важных для окружающей среды веществах. Люди, напрямую соприкасающиеся с платиной, уже обнаруживают ее концентрации на порядок выше, чем те, что работают с применением надежных защитных средств. В любом случае, платины в окружающем нас мире накопилось уже гораздо больше того объема, который можно получить в результате эмиссии через ката лизаторы. Причина известна: содержание платины, например в топливе, автомо бильных шинах, удобрениях и т.д., приводит к ее постепенному накоплению в окружающей среде. Особое опасение внушает тот факт, что даже металлическая платина, очень тонко диспергированная, поглощается растениями и животны ми, попадая затем в продукты питания человека. Поэтому следующим шагом дол жна стать еще более сложная задача: выяснить механизм мобилизации платины. Этот яркий пример, предлагаемый вместо множества других при оценке эколо гических рисков, однозначно демонстрирует весь комплекс взаимодействий между элементами и жизнью, показывая огромную значимость аналитической химии для

38

Глава 1. Введение

качества нашего будущего существования. Представляется целесообразным исполь зовать современную высокоразвитую аналитику именно для защиты окружающей среды, причем совершенно ясно, что пренебрежительное отношение к некоторым граничным условиям и непонимание порой весьма сложных зависимостей откры вает дорогу к неверным результатам и сомнительным выводам.

1.4.2. Ограничения следовой аналитики Одна из серьезных проблем следовой аналитики состоит в том, что аналитичес кие данные оказываются тем менее надежными, чем более низкая область кон центраций подлежит определению. В сверхмалом (следовом) диапазоне (в еди ницах нг/г или пг/г) порядок величин погрешностей результатов анализа может оказаться весьма значительным. И тогда обязательно встанет вопрос: имеет ли смысл в таких условиях стремиться к улучшению обнаружительной способности данного метода? На этот вопрос не может быть общего ответа. В будущем все реже будут задаваться целью определять еще меньшее общее содержание – то есть от носительные концентрации – элементов в биотических матрицах. Вездесущие концентрации элементов образуют здесь еще пока целесообразные низкие преде лы определения [1.13]. И все же следует искать пути понижения абсолютных пре делов обнаружения, чтобы иметь возможность регистрировать элементы (напри мер, платину) вплоть до ничтожно малых концентраций. Между тем результаты анализов в пикограммах с проникновением в область фемтограммединиц являются уже вполне обычным делом. Просматривается и перспектива достижения аттограммового уровня, что делает понятие «нулевая кон центрация» достаточно абсурдным, хотя его еще и сегодня можно встретить в не которых нормирующих документах. Пример. Нынешний уровень следового анализа для регистрации ничтожных концентраций, способных вызвать определенные последствия – например, из менение физических и химических свойств материалов либо физиологических свойств организмов, – предполагает использование проб довольно большого объе ма, иногда более 1 грамма. В результате могут быть получены только интеграль ные, то есть усредненные по данной пробе, данные. Если же потребуются более подробные сведения о распределении элемента, например платины, в отдельной белковой фракции сыворотки крови, то уже не обойтись без методов с более вы сокой (в 10–100 раз) чувствительностью обнаружения. Наряду с суммарным оп ределением элементов неуклонно растет интерес к так называемым специфично стям (speсies)1, то есть к идентификации элементов с учетом их состояния связи. Общая концентрация элемента в пробе еще не является достаточным доказатель ством его возможного токсичного действия. Для более точной оценки должны быть известны форма и устойчивость связи исследуемого вещества. Аналитика специфичности металлов (metalspeсies) как раз занимается этой проблемой. По ясним на примере: хром, используемый во многих отраслях промышленности, в виде соединений Cr (VI) токсичен даже в минимальной концентрации, посколь 1

В аналитической русскоязычной литературе данный термин обозначается как веществен ный анализ. – Прим. ред.

1.4. «Ничто»: как его найти

39

ку хромат способен проникать в клетки. Соединения же Cr (III) считаются суще ственными для липидного и углеводного обмена веществ [1.14]. Эта серьезная задача требует от химикааналитика особого творческого под хода и максимальной критичности на всем этапе реализации метода – начиная от взятия проб, их консервации и подготовки и заканчивая градуировкой выбран ного способа определения. Вопрос специфичности приобретает особое значение в области наук, связан ных с изучением объектов окружающей среды, но он не менее важен также в сфе ре биологии и материаловедения. Вместе с этим заметно возросла и роль анализа микрораспределения, так что относящиеся сюда задачи расширились до разме ров самостоятельной области. Способы анализа микрораспределения на основе максимальной способности к абсолютному обнаружению создали условия для распознавания потоков веществ в диапазоне микроединиц. Это применимо как в молекулярной биологии – для изучения процессов на клеточном уровне, так и в материаловедении – при решении вопросов появления и значения осаждений на поверхности кристаллической решетки и на границах раздела.

1.4.3. Путь к оптимальным методам следового анализа Инструментальные анализы относятся к относительным, но не к абсолютным методам. Это значит, что любой прибор (инструмент) подлежит калибровке со гласно принятым стандартам. В то время как в измерительной технике существу ют специальные образцовые меры (эталоны), в аналитике находят применение стандартные материалы и эталонные способы. Для этого существует идеальная предпосылка – наличие неискаженного аналитического сигнала, то есть изоли рованного сигнала в чистом виде, не подверженного воздействию со стороны про чих компонентов пробы [1.15]. Сильной стороной почти всех спектроскопичес ких способов является обнаружение и идентификация упомянутых выше специ фичностей, ибо они обращены на атомную или, соответственно, молекулярную структуру. В случае многокомпонентных смесей нередко происходит наложение спектроскопических сигналов друг на друга. Такие систематические перекрестные модуляции аналитических сигналов обыч но отмечаются в пробах сложного состава, причем (за небольшим исключением) тем чаще, чем меньше определяемая концентрация. Еще допустимые концентра ции других компонентов пробы не просто варьируют от способа к способу, но зави сят от множества других параметров. Поэтому в преобладающем числе случаев для компенсации систематических погрешностей требуются стандартные эталонные ма териалы, состав которых – посредством точного анализа – должен быть максималь но приближен к таковому у исследуемой пробы. Достаточно надежные стандарты, с большой тщательностью разрабатываемые специалистами многих международ ных и национальных институтов, существуют сегодня только для важнейших групп веществ и материалов и к тому же лишь для достаточно высоких концентраций [1.16]. Абсолютно неосвоенной остается пока еще область сверхнизких концентра ций (< 1 нг/г). Поэтому, как правило, большинство попыток чисто инструмен тальными средствами исследовать соответствующие твердые образцы напрямую,

40

Глава 1. Введение

то есть без дополнительной пробоподготовки, в еще не изученных концентраци онных условиях, приводили – несмотря на возможно хорошую воспроизводимость результатов – к сомнительным либо просто ошибочным выводам. При этом на основе полученных данных принимались жизненно важные решения в сфере эко номики, экологической безопасности и развития здравоохранения: вредные по следствия таких действий, возможно, проявятся уже в обозримом будущем. Вытекающие отсюда проблемы в области аналитики тоже носят многослойный характер. Овладеть методикой можно довольно легко, пройдя курс обучения под ру ководством опытных специалистов. Значительно труднее найти решения насущных проблем нашего общества, помочь политикам и экономистам осознать возложен ную на них ответственность. Известно, что последние обычно исходят из постулата, что представленные результаты анализов принципиально верны. Чтобы поколебать эту безоглядную веру в цифры, требуется кропотливая разъяснительная работа. Аналитические результаты должны интерпретироваться исключительно спе циалистамианалитиками, которым не следует выпускать из рук полученную на основе проведенных анализов информацию. Приходится констатировать, что даже сам аналитик порой не сразу понимает открывшуюся перед ним картину, что уж говорить об оказавшихся рядом дилетантах. Поэтому ни в коем случае нельзя пре доставлять право оценки результатов, например, юристам. Аналитика кончается там, где в нее вторгается некомпетентность. Вряд ли стоит позволять кому попало делать выборки по своему усмотрению, вносить изменения в полученные данные или иным образом воздействовать на результат. Для ответа на вопрос, как удается в ходе следового анализа прийти к приме нимым результатам, предлагается опятьтаки обратиться к принципу классичес кого «мокрого» способа анализа, как это показано на рис. 1.3. В сфере следовой Проба Комбинированный способ

Прямой способ

Подготовка пробы Перевод в растворимую форму

Разделение

Определение

Рис. 1.3. Сравнительная схема прямого и комбинированного способов инструмен тальной аналитики

1.4. «Ничто»: как его найти

41

аналитики принято говорить о комбинированных (или многошаговых) способах, при которых собственно определению предшествуют химические методы для при ведения проб в растворимую форму и для требуемого разделения. Предваритель ное разделение в автономном режиме или режиме реального времени с примене нием хроматографии получило широкое распространение на практике. Это по зволяет избежать упомянутых выше перекрестных модуляций и более успешно решить проблему калибровки. Правда, теперь в случае таких комбинированных способов приходится принимать во внимание другие систематические погреш ности, которые, впрочем, удается довольно успешно компенсировать. Наличие связи между хроматографами и спектрометрами позволяет осуще ствлять быструю идентификацию компонентов, в том числе и в комплексных сме сях [1.17]. Проблемным источником погрешностей остаются примеси при опас ности занесения грязи в аналитическую систему – из приборов, реактивов и воз духа лаборатории – с получением так называемых холостых (контрольных) зна чений. При этом очень сложно удерживать загрязнение на достаточно низком и постоянном уровне при определении элементов, в очень высокой концентрации содержащихся в окружающей среде. Тогда следовым аналитикам приходится идти на разного рода уловки, требующие порой принятия довольно затратных мер: это может быть, например, обеспечение стерильности в лаборатории, создание замк нутых в себе комбинированных систем для функционирования в режиме реаль ного времени, разработка специальных способов очистки реагентов и проч. В настоящее время в некоторых случаях удается проникнуть в нижний пико граммдиапазон или на уровень триллионных долей. Понятно, что это доступно лишь немногим специально оборудованным лабораториям. Прежние принципы определения безусловно ограничивают возможности обнаружения в сфере эле ментной аналитики, заставляя обратить взор на новые и более чувствительные физические методы. Так, на основе уже разработанной лазерной спектроскопии достигается принципиальная возможность обнаружения на уровне аттограммов (1 аг = 10–18 г). К сожалению, для решения многих насущных проблем, число которых в бу дущем будет, вероятно, только возрастать, не существует патентованных рецеп тов. Эффективность того или иного метода либо комплекса методов может рас сматриваться только в сочетании с поставленной аналитической задачей. Реше ние комплексных проблем немыслимо без глубоких знаний в области аналитики, в противном случае не избежать принятия ошибочных решений с широкомасш табными печальными последствиями для здоровья человека, экологии и хозяй ственной деятельности [1.18]. При этом следует иметь в виду, что все аналитичес кие методы – это лишь инструмент, использование которого в поисках оптималь ного решения аналитических проблем требует еще и тщательно продуманной стра тегии. (Аналогия: собранные вместе молоток, резец и кусок мрамора еще не есть скульптура – для ее создания нужен мастер, которому предстоит долгая и кропот ливая работа.) Одновременно не стоит забывать о том, что аналитика возможна только при условии получения: от приборостроителя – соответствующего оборудования, а от производителя химикатов – необходимых препаратов. Резюмируя, можно утверж

42

Глава 1. Введение

дать, что в принципе существуют все условия для проведения правильных – и со поставимых! – анализов. Для этого достаточно привлечь к работе грамотного хи микаисследователя.

1.4.4. Взятие проб В современной аналитической методике для исследования веществ достаточно в большинстве случаев использовать пробы совсем небольшого объема. Поступив ший в лабораторию материал представляет собой обычно некий сборный обра зец, нуждающийся в соответствующей предварительной подготовке. С учетом желаемой репрезентативности проба не может быть сколь угодно малой. Опера ции по взятию и подготовке проб требуют определенных затрат, и небрежное об ращение с представленным для исследования веществом может резко увеличить и без того немалые расходы. Действующие нормы ДИН и принятые законода тельные акты предписывают, кроме прочего, добросовестное ведение документа ции с фиксацией результатов входного, производственного и конечного контро ля продукции. В этом отношении особенно строги требования в области защиты окружающей среды, где «уровень техники» нередко определяется точностью про ведения анализа – без учета гораздо более серьезных ошибок при взятии проб. Надежность показателей часто основывается исключительно на аналитике или, соответственно, на погрешностях, связанных с выполнением анализа. Про цессам взятия, обработки и подготовки проб уделяется, к сожалению, слишком мало внимания. Ошибки, совершаемые при выборе подходящего места для взя тия проб, определении их объема и количества, по своим последствиям порой в десятки раз превышают упущения при проведении собственно анализа. Можно ли требовать от специалиста точности проведения анализа на уровне, так сказать, нескольких разрядов после запятой, если сбои на этапе взятия проб заведомо не позволяют достичь такой точности. Инструментальный способ проведения анализов будет безупречным лишь в той степени, в какой это допускает процесс пробоподготовки. Недостаточно об работанные пробы, загрязненные или обремененные мешающими примесями, равно как и количественные потери в силу реакций обмена или прочих химичес ких превращений, – все это снижает эффективность чувствительных методов из мерения. В принципе справедливо было бы утверждать, что инструментальный метод пригоден лишь для измерения того, что количественно выделено на этапе подготовки пробы. Поэтому контроль качества всегда предполагает также приня тие во внимание процесса взятия пробы [1.19]. Объем каждого отдельного образ ца зависит от особенностей исследуемого материала и числа подлежащих опреде лению параметров. В отношении многих материалов операции отбора и подго товки образцов регламентированы соответствующими нормами. Так, конкретно для твердого топлива разработан стандарт ДИН 51 701, для керамического сырья – ДИН 51 061, для пряностей – ДИН 1020 и т.д. Также и в сфере контроля сточных вод согласно нормам DIN/DEV (Промышленный стандарт ФРГ/Стандартный способ исследования воды в Германии) взятие проб есть первый шаг на пути лю бого химического исследования. Ошибки, допущенные на этой стадии, обычно

1.5. Тенденции развития аналитики объектов окружающей среды

43

не удается скорректировать даже путем весьма трудоемких аналитических и вы числительных операций. В момент отбора следует избегать контакта с материала ми, из которых могут выделиться вещества, переходящие в пробу и способные исказить результат исследования. При этом, в зависимости от параметров иссле дования, нормы DIN/DEV предъявляют разные требования к используемому обо рудованию [1.20]. Так, в ряде случаев обязательным условием является примене ние неактивных материалов типа боросиликатного стекла или тефлона. Чрезвычайно важно, чтобы в расчет принималось все поперечное сечение потока анализируемого вещества, а емкость для проб была абсолютно чистой и соответствующей количеству взятого вещества. Для получения репрезентативно го поперечного сечения выборки предлагается следующий принцип: на протяже нии всего процесса через четко установленные интервалы времени забирается несколько отдельных проб, объединяемых затем в один сборный образец. Прямо на рабочем месте возможно проведение лишь ограниченного числа исследова ний. Поэтому за взятием проб обычно следует доставка их в лабораторию. Во вре мя этой транспортировки пробы должны быть в охлажденном состоянии и обяза тельно защищены от света – в целях предотвращения химического распада инг редиентов.

1.5. Тенденции развития аналитики объектов окружающей среды Аналитические определения применительно к объектам окружающей среды в последние годы привлекают все более пристальное внимание общественности. Неуклонно продолжается внедрение высоких технологий в этой области. Герма ния в Европе и Япония в азиатском регионе занимают ныне ведущие позиции в деле изучения и защиты окружающей среды, производства экологически чистых продуктов и развития эффективных и безопасных способов утилизации бытовых и производственных отходов. На долю национальных проектов по глобальной защите окружающей среды приходится в Германии около 65%, а в Японии почти 80% всех научноисследовательских и опытноконструкторских работ в секторе частной экономики [1.21]. Законодательные акты по вопросам экологической защиты ориентируются преимущественно на производственные мощности отрасли аналитической химии. Европейский спрос (в частности, со стороны бывшей ГДР) на лабораторную ана литику в будущем будет только расти. Причина заключается в безусловной необ ходимости осуществления надзора за состоянием природных и промышленных объектов, обеспечения контроля качества производимой продукции и проверки разрабатываемой документации по общезначимым проектам и планам [1.22]. На данный момент у населения сформировалось достаточно противоречивое отношение ко всему, что связано с химией. Так, всю химическую продукцию не совсем справедливо сделали ответственной за большую часть проблем, касающих ся окружающей среды: чуть что, сразу вспоминают диоксины, средства защиты растений и т.п., забывая при этом о многих чрезвычайно полезных изделиях хи мического производства, используемых, например, в медицине [1.23]. Иначе об

44

Глава 1. Введение

стоит дело с аналитической химией, к которой общество относится гораздо бла госклоннее. Любопытно, однако, что в глазах широких масс населения столь мно гогранная вещь, как аналитическая химия, была сведена преимущественно к за дачам экологической защиты во всех ее формах. Впрочем, за прошедшие годы удалось вывести тему окружающей среды из «экологической ниши», поместив в центр внимания общественности более широкомасштабные проблемы. Все чаще граждане требуют от аналитиков ответа на волнующие их вопросы касательно на личия или отсутствия вредных либо даже токсичных веществ в окружающей сре де, что сопровождается обоснованным или необоснованным страхом за свое здо ровье в связи с опасным воздействием тех или иных элементов. Как бы ни отно сились к такому положению дел сами аналитики, они в равной мере принадлежат и к тем, кто виновен в подобной ситуации, и к тем, кто извлекает из нее немалую выгоду. Сформированы были эти условия, кроме прочего, бурным развитием инстру ментальной аналитики в последние годы, что позволило многократно расширить спектр анализируемых веществ и материалов и продвинуть пределы обнаружения в область гомеопатических концентраций. Эта тенденция еще не исчерпала себя. К радости приборостроителей, она приводит к тому, что техническое оснащение лабораторий приходится приспосабливать к последнему уровню техники, при чем по возможности в самые короткие сроки, что очевидно было бы немыслимо без соответствующего увеличения капиталовложений. То же касается, впрочем, и некоторых ноухау, которые в определенной степени даже обгоняют процессы ин новационного оснащения лабораторий контрольноизмерительной аппаратурой. Взаимодействие аналитики объектов окружающей среды и правовых норм представляется бесспорным, если прорыв в область нано и пикограммединиц не считать самоцелью. Высокая значимость результатов аналитической химии побудила к внесению соответствующих изменений в будущее законодательство. Таким образом, эффективность аналитической химии получила свое отражение в правовом аспекте, и накопленные научные знания учитывались при разработке конкретных законодательных актов по защите окружающей среды [1.24]. Формулируя обязательные требования, законодатель обычно оказывается пе ред дилеммой: с одной стороны, приходится учитывать правовые интересы граж дан, выражающиеся чаще всего в предъявлении претензий к отдельным веществам и материалам; с другой стороны, нельзя упускать из виду возможные расходы, связанные с исполнением определенных обязательств [1.25]. Но одна лишь зако нодательная база не способна охватить все многообразие подлежащих нормиро ванию веществ и материалов [1.26]. В прошлые времена это порой приводило к тому, что законодательство рассматривало лишь отдельные «модные» вещества, которые особенно горячо обсуждались в народе, но объективно не соответствова ли вынесенному общественностью приговору в отношении их потенциальной опасности [1.27]. При исследовании воздействия того или иного вещества на здоровье человека используют в большинстве случаев известный показатель МАК (максимально допустимая концентрация на рабочем месте). Речь идет о концентрации на рабо чем месте, например, газа, пара или иных витающих в воздухе веществ. Эта кон

1.5. Тенденции развития аналитики объектов окружающей среды

45

центрация согласно «современному уровню знаний» при восьмичасовом рабочем дне, как правило, не сказывается отрицательно на здоровье человека. Соблюде ние величин МАК есть официально установленная абсолютная минимальная мера защиты здоровья людей. Но эмиссия примесных химикатов, которые сегодня можно обнаружить практически в любом изделии промышленного производства, возможна не только на рабочем месте, но и в собственном жилище. Это проявля ется, скажем, в неожиданно высоком выделении химических веществ у монито ров ПК [1.28]. Далее, следует иметь в виду, что величины МАК отнесены к одному конкретному веществу, в то время как на одном и том же рабочем месте возможно наличие множества опасных веществ, вредное действие которых суммируется либо даже преумножается. При этом бесспорен тот факт, что в некоторых случаях приходится идентифи цировать и количественно оценивать отдельные химические соединения. При работе с неорганическими веществами, особенно если они находятся в водных растворах, распространена общепринятая практика, вполне приемлемая даже с учетом необходимых затрат. В этой связи имеет смысл вспомнить о вполне эле гантных спектрометрических методах определения анионов и катионов и мето дах ионообменной хроматографии, позволяющих сократить стоимость проведе ния анализов. Совсем иначе обстоит дело с органической химией. В силу сложности отдель ных органических соединений их определение, в том числе с использованием са мых современных способов хроматографии (например, при сочетании газовой хро матографии с массспектрометрией либо при высокоэффективной жидкостной хроматографии), требует гораздо более значительных затрат и в принципе пред ставляется целесообразным только при поиске ограниченного числа известных со единений, обладающих высокой репрезентативностью для какойто группы ве ществ с четко выраженным потенциалом вредности. Хотя это и возможно, на пример при определении в питьевой воде легколетучих хлорпроизводных углево дородов или химических средств защиты растений, но именно там релевантность определения полициклических ароматических углеводородов оказывается весь ма сомнительной, ибо, как известно, вещества этого класса отличаются чрезвы чайно низкой водорастворимостью и поэтому демонстрируют лишь незначитель ную подвижность в круговороте воды. Изучение метаболизма есть еще одно относительно новое научное направле ние. Под «метаболизмом» понимаются в данном случае процессы изменения структуры и распада органических веществ в живой и неживой природе. Анали тическое исследование используемых в сельском хозяйстве пестицидов, фунги цидов и гербицидов считается весьма сложным и тяжелым делом, без которого, однако, не обойтись при оценке потенциального риска от их применения. Для изучения переноса и перемещения метаболитов требуются долговременные экс перименты, охватывающие множество специальных аспектов. Так, например, совместимость с окружающей средой не может быть обеспечена лишь за счет того, что определенные вещества растворимы в воде и, следовательно, подвержены раз ложению под действием микроорганизмов, поскольку, с другой стороны, высо кая растворимость вызывает опасность заражения грунтовых вод [1.12].

46

Глава 1. Введение

Что касается так называемых «старых химических отходов», которые выно сятся фильтрационными водами со свалок и складов и в результате могут попасть в грунтовые воды, а далее – в культурные слои почвы и, наконец, в наши продук ты питания, то здесь определяемые в настоящее время концентрации как прави ло уже столь высоки, что вполне могут устанавливаться традиционными метода ми [1.30]. Сюда стоит добавить еще вред, причиняемый окружающей среде всего мира разными видами вооружений. В ФРГ насчитывается до 240 000 мест, подо зрительных с точки зрения «старых химических нагрузок на природные объек ты». Как ненадежна база данных по этой проблематике, так неверна и оценка за трат, связанных с решением проблем в данной области [1.31]. При этом аналити ческая задача состоит, прежде всего, в минимизации необходимых для этой цели затрат [1.32]. Число мест экологически опасных «старых нагрузок» столь велико, что их вряд ли удастся проверить и оценить каждое в отдельности. С учетом этого Общество немецких химиков подготовило и издало реестр веществ и материалов, подлежащих первоочередной переработке и утилизации в силу их особой опасно сти для окружающей среды [1.33]. И здесь обязательно встает вопрос относитель но общедоступных технологий для проведения обязательной санации и т.п. [1.34]. Также и при аналитике отходов речь идет о значительно более высоких опре деляемых концентрациях, чем, например, в случае анализа остаточных пестици дов. С большим трудом формируется здесь гораздо более сложная матрица произ вольного состава, различающаяся от партии к партии и от места к месту. Полный анализ в данном случае едва ли возможен, но, с другой стороны, потенциальная опасность для человека и окружающей среды исходит от отдельных дискретных веществ, присутствующих порой лишь в виде следов или побочных компонентов. Поэтому в области аналитического исследования отходов для получения ориен тированных на матрицу показателей состава находят применение как суммарные параметры и экспресстесты, так и обладающая хорошим разрешением следовая аналитика на основе хроматографии [1.35]. Отлично зарекомендовала себя аналитическая концепция в отношении по верхностных и сточных вод, которая как раз закон о защите вод ставит в центре деятельности химиковисследователей, а не наоборот. Таким образом, в отноше нии разделения по принципу хроматографии органических веществ, в большом количестве присутствующих в сточных и поверхностных водах, «закон пока не писан», поскольку эти вещества (уже в силу затрат времени и средств) обычно не могут быть более или менее полно идентифицированы и количественно опреде лены, не говоря уже о том, что для преобладающего числа известных нам более чем 7 миллионов химических соединений просто не существует токсикологичес ких или экологических оценок. Помимо этого, на практике иногда можно отка заться от определения характеристик отдельных веществ. Такое происходит, на пример, при оценке способов обработки сточных вод, которые обычно не каса ются специфичности веществ, так что результат очистки может быть легко опи сан на основе одного суммарного параметра [1.36]. Поэтому характеристика органических веществ, содержащихся в воде, во мно гих случаях традиционно основана на суммарных параметрах, причем большин ство ингредиентов с одинаковыми либо похожими свойствами покрывается од

1.5. Тенденции развития аналитики объектов окружающей среды

47

ним способом определения. При этом набор суммарных параметров простирается от углеводородов и фенольного числа с узким спектром веществ до химического потребления кислорода, включающего огромный объем веществ. В ходе реализа ции ряда рационализаторских предложений в лабораториях по исследованию грун товых вод было установлено общее содержание органического углерода (ТОС – Total Organic Carbon). От химического потребления кислорода и биохимического потреб ления кислорода общее содержание органического углерода отличается, в частно сти, тем, что процесс анализа здесь относительно легко преобразуется инструмен тальными средствами. Доказательством тому может служить наличие на рынке множества приборов для определения общего содержания органического углерода. Многие из них, кроме прочего, еще и в высшей степени автоматизированы, так что способ ТОС сегодня уже широко используется при контроле процесса. Также и для определения биохимического потребления кислорода появились новые виды эко логически безопасного измерительного оборудования, помогающего сократить до минимума затраты на процесс измерения [1.37]. Наряду с химической аналитикой возросло значение биотестов при контроле сточ ных вод, что позволило определять токсичность вещества в тех случаях, где это не возможно сделать прямым химическим анализом. При биотестах используются жи вые организмы, а именно таким образом и в таком количестве, чтобы в ходе реакции можно было измерить активность химических ингредиентов на основе проявлений их жизни. Биотесты можно отнести, следовательно, к суммарным параметрам, ото бражающим общую биологическую активность пробы. Так как бактерии в принципе поддаются консервации, для применения биотестов могут быть предложены готовые «законсервированные» бактерии. При светящихся бактериях реакция на свет привя зана к общему обмену веществ этих бактерий. Подавление свечения таких бактерий в токсичных пробах измеряется с помощью люминометра [1.38]. Гораздо более серьезные проблемы возникают при оценке глобальных рис ков, обусловленных, например, парниковым эффектом, озоновыми дырами [1.39] и т.д. либо вырубкой лесов или иными изменениями природы под действием вы деляющихся вредных веществ [1.40]. Наибольшей сложностью для аналитики яв ляется тогда определение чрезвычайно низких концентраций активных веществ. Значимые величины таких концентраций, которые нередко и так уже достигают области триллионных долей, трудно себе представить и не менее трудно обнару жить [1.41]. Но лишь надежные результаты измерений при высокой чувствитель ности обнаружения позволяют сделать правильные выводы о реальных нагрузках на окружающую среду [1.42]. Последние можно представить тогда в виде матема тических моделей климата с целью моделирования процессов в комплексной си стеме химии атмосферы [1.43]. Вызывает удовлетворение тот факт, что аналитика окружающей среды стала сейчас достоянием широкой общественности. Все возрастающее значение резуль татов анализов несомненно способствует росту профессионализма специалистов, занятых аналитическим исследованием объектов окружающей среды по широко му фронту [1.44]. Аналогично внедрению системы менеджмента качества согласно ДИН ИСО 9000, вводятся и системы управления экологической защитой. Можно надеяться, что

48

Глава 1. Введение

при этом будут учтены известные ошибки и недочеты упомянутой системы ме неджмента качества. Было разработано специальное предписание ЕЭС 1836/93 касательно добровольного участия производственных предприятиях в совмест ной работе по управлению и контролю в сфере защиты окружающей среды. С вступлением в силу 1 июля 1993 г. этой европейской нормы во всех странах Евро пейского экономического сообщества создаются системы экологической защиты, целью которых является, кроме прочего, воспитание сознания людей на всех про изводственных уровнях в духе защиты окружающей среды, что способствовало бы улучшению ее состояния. Этот созданный на добровольной основе механизм по зволит проводить систематическую, регулярную, объективную и документирован ную оценку мощности любого предприятия с точки зрения экологической безо пасности [1.45]. Подобные «экологические аудиты» на предприятиях становятся плодотворным источником рационализаторских предложений, шаг за шагом со вершенствующих благородное дело защиты окружающей среды [1.46]. Не исключено, что это новое образование натолкнется на определенный скеп сис и частично даже неприятие со стороны некоторых слоев общества. Но глав ное достижение заключается в том, что человечество будет получать достоверную информацию о возможных рисках. Вся промышленность и большая часть сферы услуг будут путем предоставления открытой и честной информации способство вать повышению доверия к ним со стороны населения. Европейская промыш ленность, особенно в странах с «перегретой» экономикой и высокой средней за работной платой, при производстве основных химикатов, изделий широкого по требления и частично также промежуточной продукции уходит из высокоразви тых промышленных стран, перемещаясь в развивающиеся страны с более низким уровнем оплаты труда. Причиной этого является не только разница в производ ственных затратах, но также и недооцененная экспертами враждебность европей цев к совершенствованию технологий, что резко снижает в глазах общества уро вень доверия к химическим процессам [1.47]. Но, перемещаясь в соседние стра ны, рискованные технологии не становятся безопаснее. Аналитика объектов окружающей среды непосредственно на месте нахожде ния объекта приобретает все большую популярность [1.48], будь то исследование свалок или выемок грунта либо набирающие силу тренды регистрации и саниро вания так называемых «старых нагрузок». Далее, стоит упомянуть исследование прямо на месте и контроль так называемых «опасных грузов». Для всех проверок такого рода требуется ускоренное измерение и экспрессность, то есть высокий темп получения результата, так сказать, не сходя с места. Это позволяет быстрее, надежнее и эффективнее обнаружить источники опасности для человека и окру жающей среды. Все мыслимые анализы, особенно в сфере следовой аналитики, могут быть проведены за самые короткие сроки с помощью систем, разработан ных по последнему слову техники. Сегодня существует возможность почти все современное аналитическое оборудование встроить в специальные передвижные лаборатории. Даже высокочувствительные измерительные приборы, сочетающие, например, газовую хроматографию с массспектрометрией, или атомноабсорб ционные спектрометры могут прямо на месте использоваться для целей мобиль ной аналитики. Следовательно, здесь находят применение не методы экспресс

1.5. Тенденции развития аналитики объектов окружающей среды

49

анализа, а обычные для стационарной лаборатории приборы и системы, в полной мере отвечающие всем необходимым требованиям (см. нормы ДИН). В заключение можно утверждать, что в области защиты окружающей среды последующие годы будут отмечены четкой тенденцией к высокотехнологичной аналитике, причем такой тренд проявит себя даже в отношении весьма сложных способов определения в текущей лабораторной практике. Специальное оборудо вание в сочетании с современной электроникой, техникой управления и регули рования уже сейчас усовершенствовалось настолько, что на основе соответству ющих методов удается обнаруживать элементы и соединения в единицах пико и фемтограммов. Подобное развитие безусловно имеет свою цену. И затраты на при обретение необходимых приборов, и оплата высококвалифицированного пер сонала продолжают неуклонно расти.

ÃËÀÂÀ 2 ÂÇÀÈÌÎÄÅÉÑÒÂÈÅ ÌÅÆÄÓ ÑÂÅÒÎÌ È ÌÀÒÅÐÈÅÉ До начала ХХ века существовало две модели представления излучения – волно вая и корпускулярная, с помощью которых исследователи пытались описать раз ные физические явления. Поэтому и говорят о двойственности света, имея в виду волну и частицу, или корпускулу. Уже в 1865 г. Максвеллом и Герцем была рас познана единая сущность электромагнитного излучения. Описание феноменов интерференции и дифракции базируется на волновой природе света. С другой стороны, в отношении эффекта Комптона, благодаря которому рентгеновское излучение при столкновении с электроном ведет себя как материальная части ца, применимы законы упругого столкновения. Следовательно, данный эффект можно понимать в физическом смысле, представляя свет в виде пучка корпуску лярных фотонов или энергии квантов. Первая модель излучения летящих час тиц, или корпускул, восходит еще к Ньютону. Количественные связи между дву мя моделями были впервые изучены Планком и Эйнштейном в начале ХХ сто летия. Большой шаг в истории естественных наук с широко идущими последствия ми сделал Планк в 1900 г. Теорию отданной энергии черного луча он попытался привести в зависимость от частоты эмиссионного излучения, предполагая, что черное тело построено из известных гармонических осцилляторов (способных к колебаниям и излучению молекул). Согласно классическим представлениям, та кие осцилляторы поглощают или испускают излучение своей собственной часто ты, причем абсорбция и эмиссия происходят непрерывно. По Планку, эти процес сы протекают не непрерывно, но квантами. Энергия поглощенного или испускае мого излучения, а следовательно, и энергия осцилляторов должны быть поэтому целочисленным кратным кванта энергии. Размер этого кванта пропорционален собственной частоте ν0 осцилляторов: Е = h ⋅ ν0; h = 6,626⋅10–34 Дж⋅ с. Коэффициент пропорциональности h обозначается как постоянная, или кон станта Планка. Она имеет размерность действия: энергия × время. Собственно квантованная величина обладает размерностью действия, а квантованная энер гия есть лишь результат этого действия. Эйнштейн увидел в данном выражении Планка связующее звено между дву мя представленными выше моделями света. Количество энергии Е идентично энергии кванта корпускулярного излучения, если собственную частоту ν0 заме нить любой частотой v излучения: Е = h ⋅ ν.

2.1. Внутренние и внешние взаимодействия

51

Тогда, согласно законам механики, фотоны тоже обладают всеми свойствами, присущими корпускулярным частицам. Данное выражение представляет собой нечто большее, чем обычное отношение между энергией и частотой. Оно демон стрирует в некотором смысле отход от классических теорий, становясь исходной точкой для абсолютно новой фазы в истории развития естественных наук. Со вре мен Ньютона существовало представление, что изменения энергии любой систе мы происходят непрерывно. Оно базировалось на законах классической механи ки, а иной подход, по крайней мере в атомной сфере, привел к необходимости развития новой – квантовой – механики. Электромагнитное излучение есть форма энергии, причем эта энергия про порциональна ее частоте. Речь идет о поперечных волнах, когда колебания элек трического и магнитного векторов проходят перпендикулярно друг другу. Ско рость распространения электромагнитного излучения не зависит от частоты и составляет в вакууме 299 790 км⋅с–1. Излучение описывают либо через указание частоты, либо через указание длины волны: c = ν ⋅ λ, где с – скорость света; λ – длина волны света; ν – частота света. Электромагнитное излучение может разными способами вступать во взаимо действие с химическими процессами. Помимо прочего, это важнейшее вспомо гательное средство для определения структурных характеристик и химического поведения молекул. Электромагнитное излучение с различными длинами волн и к тому же с разным количеством энергии используется для изучения самых раз ных аспектов материи. Интервал частот, необходимый для аналитических пока заний, простирается примерно от 106 до 1020 с–1, то есть от области радиоволн, теплового излучения, света (от видимого до ультрафиолетового) и вплоть до рент геновского и гаммаизлучения. Частоты γлучей и радиоволн отличаются при мерно на 15 десятичных порядков, и на столько же различаются количества энер гий, преобразуемых при эмиссии или, соответственно, абсорбции этого излуче ния в результате взаимодействия с материей.

2.1. Внутренние и внешние взаимодействия Когда луч света интенсивностью I0 падает на исследуемую пробу, то одна часть излучения отражается от поверхности (Ir), другая часть (Is) рассеивается содержа щимися в пробе частицами, а третья часть (Ia) поглощается молекулами. Остаточ ное излучение I пропускается, как показано на рис. 2.1. Итак, имеем: I0 = Ir + Is +Ia + I. Следовательно, надо различать внешние (неквантованные) и внутренние (квантованные) эффекты. Ir – по величине и направлению зависит только от макроскопических свойств пробы и не содержит никакой информации о ее внутримолекулярном строении;

52

Глава 2. Взаимодействие между светом и материей

Рис. 2.1. Ослабление интенсивности светового луча (I0) в результате поглощения (Ia), отражения (Ir) и рассеяния (Is)

Is – определяется отношением диаметров частиц к длине волны света и при нимает максимальное значение, когда оба эти параметра составляют срав нимый порядок величин. Рассеянное излучение может исходить как от очень малых частиц коллоидных растворов (рассеяние Тиндаля), так и от отдельных молекул (рэлеевское рассеяние). При феномене Рэлея свет воз будителя приводит электроны молекулы в состояние вынужденных ко лебаний. Эти колеблющиеся электрические диполи представляют собой источники вторичного излучения, причем излученный свет имеет ту же длину волны, что и свет возбудителя. Подобные рассеяния тоже отно сятся к внешним эффектам; Ia – это та самая доля света, которая поглощается молекулами. При этом све товая энергия обычно превращается в другую форму энергии. Такой про цесс преобразования протекает при возбужденных состояниях молекулы.

2.2. Абсорбционная и эмиссионная спектроскопия Атомы и молекулы существуют в дискретных энергетических состояниях. Между этими состояниями возможны переходы, индуцированные поглощением либо излучением энергии. При абсорбционных измерениях прослеживается измене ние излучения, выходящего из источника света, при вводе поглощающего веще ства в ход лучей. При этом материя при переходе в более богатые энергией состо яния возбуждения отбирает энергию у света. В зависимости от энергии излуче ния могут исследоваться разные возбужденные состояния. Это энергетические состояния атома или молекулы, претерпевающие изменение при поглощении излучения: атом или молекула переводится из одного энергетического состояния Еа в другое энергетическое состояние Ее, причем Ее > Еа.

2.3. Атомная и молекулярная спектроскопия

53

Поскольку эти процессы протекают в атомных или, соответственно, молеку лярных размерностях, то для них имеют силу законы квантовой теории, согласно которым молекула может принимать не любые, а лишь совершенно определен ные внутренние энергетические состояния. Для возбуждения из состояния А в состояние В требуется дискретная энергия, то есть поглощается только излучение, у которого лучистая энергия Е равна раз ности энергий ∆Е между состоянием возбуждения В и основным (невозбужден ным) состоянием А: ∆Е = Eb – Ea,

в то время как излучение другой энергии пропускается. Между увеличением энер гии молекулярной системы и частотой ν или, соответственно, длиной волны λ поглощенного света справедливо отношение: ∆Е = h ⋅ ν = h ⋅ c/λ.

Главная задача абсорбционной спектроскопии состоит в установлении зави симостей между положением и интенсивностью этих мест поглощения и целым рядом свойств исследуемой пробы. И наоборот: также «возбужденные», то есть находящиеся на более высоком энергетическом уровне, атом или молекула при излучении света частоты ν могут перейти в состояние с энергией, меньшей на ∆Е. Надо различать, следовательно, спектры поглощения и спектры эмиссионного излучения. Измерения эмиссион ного излучения возможны благодаря тому, что атомы или молекулы, возбужден ные в результате действия высоких температур, электронной бомбардировки либо поглощения излучения, вновь отдают свою избыточную энергию в виде излуче ния и сами при этом «светятся».

2.3. Атомная и молекулярная спектроскопия Чтобы понять, какие элементарные процессы могут побудить молекулу к погло щению или испусканию электромагнитного излучения, следует исходить из го раздо более простых отношений у свободных атомов. Для атома возможны толь ко совершенно определенные энергетические уровни, каждый из которых соот ветствует характеристической конфигурации электронов. Все изменения энер гии в пределах одного атома осуществляются через электронные переходы между орбиталями разных энергий. Изза их ограниченного числа обмен энергией с ок ружающей средой не может осуществляться непрерывно, но происходит в совер шенно определенных ∆Е6модулях, которые равны разности энергий электронных уровней и которым соответствуют строго установленные частоты поглощенного и излученного света. Эти частоты являются до некоторой степени «собственны ми частотами» атомной системы, взаимодействие которой с электромагнитным излучением можно приблизительно – как это утверждает классическая диспер сионная теория – описать по аналогии с резонансом механических осциллято ров. Так же, например, как начинает колебаться камертон при поглощении энер

54

Глава 2. Взаимодействие между светом и материей

гии, когда частота возбуждающего звука совпадает с его собственной частотой, так и при излучении с собственными частотами атомов происходят квантовые переходы электронов на более высокие энергетические уровни. Вследствие этого из непрерывного светового спектра атом поглощает лишь те частоты ν1, ν2, ν3 и т.д., которые соответствуют его собственной частоте. Такие же частоты могут излучаться возбужденным атомом при обратных электронных пе реходах на орбитали с меньшей энергией. Атомные спектры есть линейчатые спектры. Их поглощения и эмиссионные излучения находятся в области видимого и уль трафиолетового света, поскольку разности ∆Е между внешними электронными обо лочками, где происходят соответствующие переходы, как раз эквивалентны этому диапазону частот электромагнитного излучения. У атомов оба перехода, то есть аб сорбция и эмиссия, находят применение в спектроскопии. Таким образом, раз личают атомноабсорбционную и атомноэмиссионную спектроскопию. В силу более сложной структуры у молекул возможны более разнообразные энергетические переходы, чем у атомов. Электронная система молекулы тоже стро ится из дискретных электронных уровней с разной энергией и в этом смысле весь ма похожа на электронную оболочку атома. Поэтому и у молекул имеют место находящиеся вблизи видимой области и основанные на электронных переходах поглощения. Однако здесь речь идет не об отдельных линиях поглощения, а о полосах поглощения, состоящих из множества отдельных линий. Молекулярные спектры есть полосатые спектры. Они образуются в результате того, что у молекул, в отличие от атомов, элект ронный переход является не единственно возможным способом изменения ко личества энергии. При объединении двух или нескольких атомов в одну молекулу возникает пригодное для атомных колебаний образование, колебательная энер гия которого квантована таким же способом, что и энергия электронов. Но кванты энергии ∆Е, определяемые собственными частотами колебаний и необходимые для их возбуждения, все же гораздо слабее количества энергии, тре буемого для возбуждения электронов, так что поглощения колебаний происходят не вблизи видимой области, а в обладающей меньшей энергией инфракрасной области спектра электромагнитного излучения. И наконец, в отличие от атома, молекула способна поглощать энергию также в форме вращательной энергии. Поскольку необходимые для возбуждения враща тельных степеней свободы кванты энергии еще меньше, чем кванты колебательной энергии, то поглощения вращательной энергии приходятся на еще более дальнюю длинноволновую часть спектра – область дальней ИК и микроволн, которым со ответствуют длины волн в порядке величин миллиметров и сантиметров. Одни только вращательные переходы можно исследовать изолированно от изменений прочих внутренних энергетических состояний молекулы. Но линей чатый спектр получают лишь в условиях возбуждения сильно разреженных газов. В противном случае свободные вращения молекул так или иначе затрудняются

2.4. Условия возбуждения

Атомы Линейчатый спектр

55

Молекулы Полосатый спектр

Полосатый спектр

Линейчатый спектр

Электронное возбуждение

Колебание

Вращение

УФ& и видимая области спектра

ИК&область спектра

Микроволны

Рис. 2.2. Схема вращательного, колебательного и электронного спектров молекул и атомов

межмолекулярными столкновениями, и контуры линий в большей или меньшей степени стираются. Это не касается случаев возбуждения колебаний, поскольку имеющейся здесь энергии всегда достаточно и для возбуждения вращательных степеней свободы, так что каждый колебательный переход сопровождается целым рядом близких друг к другу вращательных переходов. Еще сложнее отношения при возбуждении элек тронных переходов, которые постоянно сопровождаются самыми разными коле бательными и вращательными переходами. Таким образом, каждый колебательный и, соответственно, электронный пе реход состоит из последовательности почти прилегающих друг к другу линий, которые у молекул со сложной структурой сливаются в полосы поглощения и обычно уже не поддаются разрешению с помощью обычных спектрометров ком мерческого назначения. В случае твердых, жидких или растворенных веществ ис следование линейчатой структуры в принципе не возможно изза межмолекуляр ных помех. Это является причиной появления упомянутых выше полосатых спек тров, возникающих у молекул в видимой и УФобластях вместо атомных линей чатых спектров (см. рис. 2.2). Квантовые переходы самого богатого энергией движения (например, возбуж дения электронов) определяют положения полос, а сопровождающие их наложе ния переходов с меньшей энергией (вращение и колебание) – форму полос. Как и при атомной спектрометрии, в случае молекулярной спектрометрии так же существуют разные способы измерения абсорбции (спектроскопия в УФ/види мой и ИКобласти) и эмиссии (флуоресцентная спектроскопия).

2.4. Условия возбуждения Предстоит выяснить вопрос, каким образом молекула может вступать во взаимо действие с электромагнитным излучением и в какой форме регистрируется энер гия возбуждения. Поглощение электромагнитного излучения возможно только у молекул, облада6 ющих перманентным дипольным моментом.

56

Глава 2. Взаимодействие между светом и материей

µвращ.

а)

µколеб.

б)

µэл.

в)

Рис. 2.3. Изменение молекулярного дипольного момента в результате вращения, колебания и электронного возбуждения

Согласно классической теории электрических диполей, периодическое измене ние в пространстве их направления, размера либо того и другого приводит к эмиссии электромагнитного излучения. Если частота периодического изменения диполя есть νа, то частота эмиссионного излучения тоже будет νа. Периодическое движение ди поля при этом постепенно затухает, его энергия преобразуется в излучение. Возможен и обратный вариант, когда находящийся в состоянии покоя элект рический диполь в результате поглощения электромагнитного излучения возбуж дается до состояния периодических движений. Электромагнитное переменное поле света воздействует на центры тяжести положительного или отрицательного зарядов диполя и сообщает ему соответствующие периодические движения. Эти условия схематически показаны на примере двухатомной молекулы, обладающей непрерывным дипольным моментом (например, CO, HCl, NO и др.), см. рис. 2.3. Изменение дипольного момента по размеру и направлению осуществляется посредством вращения (случай «а»), колебания (случай «б») и изменения распреде ления электронов в молекуле (случай «в»). Все три формы движения носят перио дический характер. Так, для случая «а» можно указать частоту вращения µвращ., для случая «б» – частоту колебаний µколеб. и для случая «в» – частоту электронов µэл. Итак, периодическое изменение молекулярного дипольного момента в результа6 те вращения, колебания или электронного возбуждения достигается только с совер6 шенно определенными частотами. Следовательно, поглощение происходит, когда частота света совпадает с од ной из возможных частот диполя. Этим объясняется избирательное поглощение из многочастотного непрерывного излучения. Если двухатомная молекула не имеет дипольного момента (например, H2, N2, Cl2), то есть когда µвращ. = µколеб. = 0, то вращение и колебание не могут быть возбуждены путем поглощения излучения. Тогда обе эти формы движения будут «не активны».

2.5. Классификация областей спектра

57

Такие условия возбуждения действительны не только для двухатомных соеди нений, но могут быть целесообразно перенесены и на молекулы более сложного строения. В то время как частоты поглощения определяются возможными часто тами диполя, размер поглощения зависит, вопервых, от величины изменения дипольного момента и, вовторых, от направления, которое диполь принимает относительно вектора напряженности электрического поля световой волны. Чем больше изменение дипольного момента, тем больше и поглощение. При заданной величине диполя поглощение будет самым мощным, когда на правления диполя и вектора напряженности электрического поля световой вол ны параллельны, и поглощение будет равно нулю, когда эти направления прохо дят перпендикулярно друг другу. Но такую зависимость от направлений можно обнаружить только при использовании поляризованного света и на пробах с ори ентированными молекулами (например, в монокристаллах). Во всех других твер дых, жидких и газообразных образцах молекулы статистически ориентированы по всем направлениям пространства, что не позволяет доказать зависимость по глощения от направленности дипольного излучения.

2.5. Классификация областей спектра Видимое излучение есть часть электромагнитного спектра, воспринимаемая че ловеческим глазом. Не в последнюю очередь именно по этой причине данную область спектра сразу привлекли для проведения химических анализов. Элект ромагнитный спектр простирается от обладающего огромной энергией косми ческого излучения до рентгеновского, ультрафиолетового, видимого излучения и далее – до ИКизлучения и маломощных радиоволн. Частоты гаммалучей и радиоволн различаются на 15 десятичных порядков, и такие же различия име ют количества энергии, которые при эмиссии или, соответственно, абсорб ции этого излучения преобразуются в результате взаимодействия с материей (см. табл. 2.1). Эмиссия гаммалучей, длина волны которых составляет всего 10–11 см, осуще ствляется на основе ядерных реакций. Рентгеновские лучи с длинами волн 10–8 см образуются в результате электронных переходов между внутренними оболочка ми так называемых ядерных электронов. Они практически не зависимы от со стояния связи атомов. Для возбуждения вращения, колебания, а также элект ронного возбуждения молекул используется только одна относительно небольшая Òàáëèöà 2.1. Êëàññèôèêàöèÿ ñïåêòðàëüíûõ îáëàñòåé Ñïåêòð

Âçàèìîäåéñòâèå

Îáëàñòü ñïåêòðà

Ðåíòãåíîâñêèé ñïåêòð

âíóòðåííèå ýëåêòðîíû

ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è

Äëèíà âîëíû 0,01–1 íì

Ýëåêòðîííûé ñïåêòð

ýëåêòðîíû σ-ñâÿçåé ýëåêòðîíû π-ñâÿçåé è n-ýëåêòðîíû

ÓÔ â âàêóóìå ÓÔ âèäèìàÿ îáëàñòü

10–190 íì 190–80 íì 80–800 íì

Êîëåáàòåëüíûé ñïåêòð

âûñøèå ãàðìîíèêè êîëåáàíèÿ ìîëåêóë

áëèæíÿÿ ÈÊ ÈÊ

0,8–2,5 ìêì 2,5–50 ìêì

Âðàùàòåëüíûé ñïåêòð

âðàùåíèå ìîëåêóë

äàëüíÿÿ ÈÊ ìèêðîâîëíû

50–500 ìêì 0,5–3 ìêì

58

Глава 2. Взаимодействие между светом и материей

спектральная область с длинами волн от 10–1 до 10–6 см. Эту область ИК, видимого и УФизлучения именуют также «оптическим спектром», так как здесь в качестве экспериментальных вспомогательных средств находят применение оптические элементы: линзы, зеркала, призмы и дифракционные решетки. Минимальная энергия излучения использует вращение молекулы вокруг трех инерциальных осей x, y, z. Напомним, что энергию излучения не следует путать с интенсивностью излучения. Интенсивность излучения есть количественная мера силы света и не содержит в своем определении длину волны λ, в то время как энергия, выраженная здесь через λ, описывает качество излучения. Вращение воз буждается уже длинноволновым излучением и приходится на микроволновую или дальнюю ИКобласть спектра. Колебания молекул требуют для своего возбуждения повышенной энергии. Поглощение осуществляется при более коротких длинах волн в области ИКиз лучения. При этом атомы и группы атомов молекул начинают колебаться относи тельно своего положения покоя. Так как при этом одновременно возбуждаются вращения молекул, то речь идет, если говорить точнее, о вращательноколеба тельных спектрах. При длинах волн ниже 800 нм, то есть в видимой и УФобластях спектра, энер гии излучения достаточно, чтобы вступить во взаимодействие с электронами мо лекул. При этом возбуждаются только валентные электроны соединений, причем более слабо связанные πэлектроны кратных связей и nэлектроны гетероатомов поглощают в области более длинных волн, чем σэлектроны простых (одинар ных) связей. Поскольку при этом возбуждается движение всех трех видов, то речь идет о вращательноколебательноэлектронных спектрах.

2.6. Измерительные системы спектроскопии Спектр поглощения определяется двумя параметрами: • местом поглощения, где свет обладает столь большой энергией, что проис ходит определенное взаимодействие между излучением и молекулой, • интенсивностью поглощения, оцениваемой как мера этого взаимодействия в месте поглощения.

2.6.1. Место поглощения Существует несколько возможных вариантов описания места поглощения. Так как электромагнитное излучение представляет собой колебательный процесс, то используют следующие три показателя: • длина волны λ, • волновое число ν ′ (величина, обратная длине волны), • частота ν. Эти величины измерения следующим образом соотносятся друг с другом:

ν ′= 1/λ = ν/с.

2.6. Измерительные системы спектроскопии

59

2.6.2. Интенсивность поглощения Наряду с длиной волны и, соответственно, частотой поглощения измеренная ин тенсивность поглощения является второй по важности характеристикой, получа емой на основе спектроскопического исследования. Интенсивность поглощения зависит, вопервых, от плотности населенности и, вовторых, от вероятности пе рехода.

2.6.2.1. Отношение заселенностей Наряду со световой энергией, возбужденные состояния может создавать и тепло вая энергия. Это означает, что в зависимости от окружающей температуры отдель ные энергетические уровни имеют разную заселенность. Поглощение будет проис ходить лишь в той мере, в какой состояние меньшей энергии заселено сильнее, чем состояние большей энергии. При очень большом числе идентичных частиц (ато мов или молекул) отдельные энергетические уровни заселены поразному. В тер мическом равновесии для заселенности обоих состояний – Е0 основного состоя ния и Е1 возбужденного состояния – действительно распределение Больцмана: N1 ⎛ ∆E ⎞ ~ exp⎜ − ⎟, N0 ⎝ kT ⎠

где N1 – число частиц в возбужденном состоянии, N0 – число частиц в невозбуж денном состоянии, ∆E – энергия возбуждения Е1 – Е0, k – константа Больцмана (1,38⋅10–23 Дж ⋅ К–1), T – абсолютная температура. Следовательно, в термодинамическом равновесии при заданной температуре интервал между энергетическими уровнями определяет отношение заселеннос тей между N1 и N0. Если интервал между энергетическими уровнями больше теп ловой энергии, значит, основное (невозбужденное) состояние имеет более высо кую заселенность, чем возбужденное состояние. Если возбужденное состояние находится вблизи от невозбужденного состояния, то отношение заселенностей приближается к значению 1, и тогда оно особенно сильно подвержено действию изменения температуры. При комнатной температуре тепловая энергия kT составляет порядка 1260 Дж ⋅ моль–1, что соответствует волновому числу примерно 100 см–1. Это означает, что при всех спектроскопических методах в диапазоне частот ниже 100 см–1 мож но рассчитывать на примерно равную заселенность энергетических уровней. Как при электронном возбуждении, так и при колебательном возбуждении разность энергий между невозбужденным и возбужденным состояниями обычно значительно превышает количество тепловой энергии, так что вещества пребы вают в действительном на данный момент основном состоянии и, значит, пред лагаются для поглощения света в максимально возможном количестве. Напро тив, энергия возбуждения для разных вращательных состояний меньше тепловой энергии при комнатной температуре. Поэтому при нормальных условиях моле кулярные вращения, в отличие от колебаний, уже термически возбуждены. На блюдаемые интенсивности будут соответственно меньше.

60

Глава 2. Взаимодействие между светом и материей

2.6.2.2. Вероятность перехода Очевидно, что интенсивность поглощения зависит от того, как часто возникают переходы между отдельными энергетическими уровнями или, иными словами, насколько велика вероятность такого перехода. Не каждый переход между двумя энергетическими состояниями равновероятен. Вероятность перехода может рас сматриваться как число энергетических переходов в единицу времени. Разные вероятности перехода, а с ними и наблюдаемые интенсивности по глощения при электронном возбуждении могут различаться на несколько деся тичных порядков. Поэтому при регистрации спектра в соответствующей УФ/ви димой области представляется целесообразным вести запись поглощения в лога рифмическом масштабе, то есть на уровне оптической плотности1. При колеба тельном возбуждении расхождений в вероятностях перехода гораздо меньше, и здесь вполне годится регистрация поглощения в линейном масштабе.

2.6.2.3. Закон Ламберта – Бера2 В абсорбционной спектроскопии определяются почти исключительно соотноше ния интенсивностей. Если луч монохромного света интенсивностью I0 падает на пробу, которая поглощает этот свет, то данный световой луч покидает пробу с ос лабленной интенсивностью I. Поскольку нас интересует исключительно ослаб ление интенсивности света в результате поглощения его пробой, то явления отра жения и рассеяния являются попутными помехами, которые требуется устранить любым способом. Это может быть достигнуто, например, за счет того, что интен сивность I соотносится не с I0, а с уже ослабленной в результате отражения и рас сеяния интенсивностью I0. На практике обычно поступают таким образом, что в эталонный луч равной интенсивности I0 вводится поглощающая ячейка идентич ной конструкции, которая в случае исследований растворов содержит чистый ра створитель. Свет I0, выходящий из этой кюветы сравнения, ослаблен действием Ir (отражение), Is (рассеяние) и иногда Ia (поглощение) растворителя. Тогда определяем: I0 −I I ⋅100 % = 1 − T = A – поглощение. ⋅100 % = T – пропускание; I0 I0

А и Т еще не есть константы данного материала. Они зависят от толщины слоя и, поскольку исследования часто проводятся на растворах, от концентрации по 1

Применение термина экстинция, постоянного потребляемого автором на страницах ори гинального издания этой книги, не рекомендуется системой единиц СИ, номенклатурны ми правилами IUP AC (Compendium of analytical nomenclature: Definite rules 1997. The Orange book J. Prep, for pubi, by J. Inczedy et al. 3rd ed. Oxford etc.: Blackwell Science, 1998. 840 p.), и не используется в русскоязычной аналитической литературе. Поэтому далее по тексту, в соответствии с международными правилами и принятой в русскоязычной аналитической литературе терминологией, вместо термина экстинция используется термин оптическая плотность (для молекулярной спектроскопии) и абсорбция (absorbance) – для атомноаб сорбционной спектроскопии. – Прим. ред. 2 По правилам IUP АС и в русскоязычной литературе данный закон называется как объе диненный закон Бугера – Ламберта – Бера. – Прим. ред.

2.7. Количественный и качественный анализы

61

Интенсивность

Длина пути света d

Рис. 2.4. Понижение интенсивности света в поглощающей ячейке

глощающей среды. В отношении интенсивности поглощения сформулированы два эмпирических закона. Закон Ламберта гласит, что поглощенное количество света не зависит от интенсивности источника излучения. Закон Бера указывает, что поглощение пропорционально числу поглощающих молекул. Отсюда можно вывести следующее отношение: log (I0/I) = ecd = Eλ. Величина Еλ означает оптическую плотность и как логарифм частного от де ления интенсивностей падающего и выходящего света не имеет размерности; ве личина d показывает длину пути света, прошедшего через поглощающую пробу, то есть толщину слоя; ε есть постоянная материала, которая, если используется концентрация с в моль/л и толщина слоя d в см, обозначается как молярный ко эффициент поглощения, или молярный показатель поглощения с размерностью см/миллимоль. Эта величина отображает оптическую плотность одномолярного раствора при толщине слоя 1 см. Рисунок 2.4 демонстрирует ослабление интен сивности света при прохождении через поглощающую ячейку. Наглядные примеры зависимости между поглощением, пропусканием и оп тической плотностью приведены в табл. 2.2. Òàáëèöà 2.2. Ïðèìåðû çàâèñèìîñòè ìåæäó ïîãëîùåíèåì À, ïðîïóñêàíèåì Ò è îïòè÷åñêîé ïëîòíîñòüþ Å I

A

T

E

I = I0

0%

100%

0,000

I = 1/10 I0

90%

10%

1,000

I = 1/100I0

99%

1%

2,000

Ослабление до 1/10 величины I0 означает поглощение света на 90 % и, соответ ственно, пропускание на 10%, следовательно, оптическая плотность составляет 1,000.

2.7. Количественный и качественный анализы С помощью спектроскопии можно получать как качественные, так и количествен ные результаты. Но в идеальном варианте вещества при этом должны быть абсо лютно чистыми, ибо в случае смеси веществ происходит суммирование поглоще ний отдельных компонентов; не стоит забывать и о возможности появления до

62

Глава 2. Взаимодействие между светом и материей

полнительных межмолекулярных взаимодействий. Если мы имеем дело с неизве стной смесью веществ, то, по крайней мере, для молекулярной спектроскопии потребуется предварительное разделение этой смеси на отдельные субстанции – например, с применением способов хроматографии. В отличие от этого, атомная спектроскопия благодаря своим особенностям обладает чрезвычайно высокой селективностью, так что разделения на составляющие при этом обычно не требу ется, если не возникают какиелибо перекрестные помехи.

2.7.1. Качественный анализ Спектр поглощения, то есть графическая запись процесса поглощения излучения относительно длины волны или, соответственно, частоты света, дает информацию касательно того, о каком именно веществе идет речь. Разные вещества, описан ные через формулы химического строения, различаются своими структурами – атомной, пространственной и электронной. Поэтому каждое вещество посвоему реагирует на электронное, колебательное или вращательное возбуждение, форми руя характерный только для него спектр. Таким образом, у каждого вещества его спектр поглощения столь же индивидуален, как и отпечатки пальцев у человека. В случае смеси веществ получают суммарный спектр на основе всех содержа щихся в этой смеси компонентов. С математической точки зрения здесь возникает проблема одного уравнения с n неизвестными (одного спектра с n веществами). Если области поглощения входящих в состав смеси веществ накладываются друг на друга, то по суммарному спектру не удастся сделать вывод о виде и количестве отдельных компонентов. И только если области поглощения в суммарном спект ре не будут перекрываться, отдельные вещества в принципе могут быть иденти фицированы. Особая ситуация возникает, когда известны n–1 веществ и их спектры погло щения. На основе специальных вычислений с помощью ПК сегодня не составля ет труда вычесть эти известные спектры из полученного суммарного спектра, и тогда мы получим спектр неизвестного вещества. С другой стороны, регистрация спектра вещества может быть предложена в качестве ускоренного метода для определения его чистоты, ибо по виду спектра обычно легко обнаружить присутствие определенного количества примесей. Из вестно, что чистые соединения дают узкие, хорошо разрешенные пики, а наличие в пробе нескольких компонентов приводит к широким, плохо разрешенным по лосам изза слияния близко расположенных линий индивидуальных соединений.

2.7.2. Количественный анализ В основе количественного анализа лежит закон Ламберта – Бера, то есть опреде ление оптической плотности Е при той длине волны, при которой исследуемое вещество поглощает свет. Этот закон справедлив для всех видов светопоглоще ния, то есть как для электронного, так и для колебательного и вращательного спо собов возбуждения. Между тем, в силу разных причин, в реальности возможны здесь так называемые истинные и мнимые отклонения. Следует иметь в виду, что в строгом смысле закон Ламберта – Бера имеет силу только в отношении монохроматического света и идеальных растворов (концен

63

Оптическая плотность Е

2.7. Количественный и качественный анализы

Стандарт 1

Неизвестная проба Концентрация с

Стандарт 2

Рис. 2.5. Градуировочный график для количественного анализа на основе двух стан дартов

трация → 0), поскольку молярный коэффициент поглощения ε только в том слу чае может быть не зависим от концентрации, если на состояние поглощающих молекул не влияют (в зависимости от концентрации) разного рода межмолеку лярные взаимодействия, как то: диссоциация, комплексообразование, измене ние степени сольватации и т.д. На практике в большинстве случаев можно полу чить хорошую линейную зависимость между оптической плотностью и концент рацией до величины оптической плотности порядка 1,000: выше этого значения отмечается все возрастающее отклонение от линейного закона. При необходимо сти результатов очень высокой точности анализы лучше всего проводить с опти ческими плотностями < 0,5. Применение закона Ламберта – Бера осуществляет ся согласно следующим двум уравнениям:

ε=

E E . и c= c⋅d ε ⋅d

Такое уравнение позволяет вычислить концентрацию с вещества на основе измеренной оптической плотности Е, если известен молярный коэффициент по глощения этого вещества. Определение концентрации целесообразнее всего осу ществлять при длине волны максимума полосатого спектра. Однако на практике чаще всего поступают таким образом, что определяют оптическую плотность Е на растворах разных известных концентраций с и графи чески наносят на диаграмму величины Е относительно величин с. При действии закона Ламберта – Бера, если принять толщину слоя d за постоянную величину, получают прямую линию (так как ε есть константа), и в идеальном варианте эта прямая проходит через нулевую точку, как это видно на рис. 2.5. Поскольку в абсорбционной спектроскопии определяют только ослабление света I относительно исходной интенсивности I0, то всегда приходится проводить два отдельных измерения для обеих интенсивностей света. То есть определяют сна чала I0, измеряя интенсивность эмиссионного излучения, поступающего на детек тор от источника без пробы в поглощающей ячейке. Соответствующий сигнал ус танавливается на индикации прибора (раньше – на аналоговой, теперь – на циф ровой) на 100%пропускание или, соответственно, на оптическую плотность 0,000. Все современные устройства располагают для этой цели кнопкой «автоматическо

Глава 2. Взаимодействие между светом и материей

64

Источник света

Монохроматор

Пустая поглощающая ячейка

Детектор

Источник света

Монохроматор

Поглощающая ячейка с пробой

Детектор

Рис. 2.6. Принцип количественного анализа (определение I0 и I)

го нуля» (Autozero). Затем соответствующее измерение проводится с пробой в по глощающей ячейке и определяется ослабленная поглощением интенсивность I. Принцип количественного анализа наглядно представлен в схеме на рис. 2.6. Такого графического представления на миллиметровой бумаге при наличии современных устройств уже не требуется. Иногда прибегают к «вводу фактора», имея в виду Е = фактор ⋅ с, так что на индикации прибора появляется в качестве показания не оптическая плотность, а только что найденная концентрация. При компьютеризованном оборудовании градуировочный график с установленным стандартным отклонением может индицироваться на экране ПК. Количественное определение какоголибо компонента в растворе предпола гает, что этот компонент имеет полосу поглощения при длине волны λ, при кото рой данный абсорбер не поглощает вовсе либо способен лишь на минимальное поглощение. С другой стороны, можно определять также концентрации несколь ких компонентов А, В и С последовательно друг за другом, если хотя бы одна по лоса поглощения каждого из них не перекрывается (или перекрывается лишь не значительно) полосами поглощения прочих компонентов. Смеси нескольких абсорбирующих веществ пригодны для количественного анализа при условии отсутствия взаимного влияния возможных поглощений. В та ком случае устанавливается общая оптическая плотность смеси как сумма парци альных оптических плотностей отдельных компонентов. В итоге для смеси с n ком понентами получают уравнение с n неизвестными (с1, с2, …, cn): E = log (I0/I) = (ε1c1 + ε2c2 + … + εncn) d, что позволяет осуществлять определение индивидуальных концентраций путем измерения оптической плотности при n разных длинах волн.

2.8. Традиционный спектрометр В абсорбционной спектроскопии используется спектрометр, включающий в себя следующие конструкционные узлы: • • • • •

источник излучения, монохроматор, выходную щель, носитель, или держатель, пробы и приемнорегистрирующее устройство.

2.8. Традиционный спектрометр

65

Источник видимого излучения должен посылать для соответствующей спект ральной области полихроматический свет максимально близкой интенсивности. Однако не существует такого источника излучения, который способен выполнить это требование по всей интересующей области спектра – от вакуумного ультра фиолета до дальней инфракрасной зоны. Например, лампа накаливания пригод на только для видимой и ближней ИКобластей спектра и совершенно не подхо дит для ультрафиолетовой и инфракрасной зон. Поскольку существующие источники, за исключением отражающих клист ронов в микроволновом диапазоне, посылают непрерывный свет, то есть имеют эмиссионное излучение, непрерывно распределяемое в широком интервале длин волн, но, с другой стороны, при спектроскопии интерес представляет именно по глощение при определенных длинах волн, то здесь не обойтись без монохромато ра, разлагающего сложный лучистый поток на его монохроматические составля ющие. Итак, речь идет об устройстве для спектрального разложения света. Ранее эту функцию выполняли призмы, ныне как стандартный вариант применяют оп тические решетки, действующие по принципу дифракции света. Эта дисперси онная система, которая, естественно, не может поглощать в самой спектральной области, разлагает излучение в спектр, из которого через узкую выходную щель, более или менее монохроматично, может быть выделена желаемая длина волна. Носитель пробы, включая всю оптическую систему, должен быть проницаем для используемого излучения. Стекло, например, не годится ни для УФ, ни для ИКлучей, так как оно само поглощает излучение обоих этих видов. Приемник, именуемый также детектором, срабатывает на используемую область излучения и преобразует принятый световой сигнал в измеряемое электрическое напряжение. Из приведенных кратких объяснений следует, что, если рассматривать в ап паратурном плане, представляется маловероятной возможность с помощью од ного спектрометра без замены конструкционных элементов за один прием регис трировать всю интересующую область спектра. Кроме прочего, для веществ в раз ных спектральных областях предусмотрены и разные способы пробоподготовки. В отношении источника излучения необходимо принимать во внимание сле дующее. • Каждый источник излучения проходит определенный период розжига: имеется в виду, что излучение постоянной интенсивности начинается толь ко спустя несколько минут, после чего отмечается долговременная стаби лизация. • Излучатели с непрерывным распределением энергии действуют в широком интервале длин волн, но не с равной интенсивностью, то есть I0 зависит от имеющейся длины волны. • Как любая лампа накаливания, источники излучения в спектроскопии тоже могут стареть и изнашиваться, что приводит к постепенному снижению интенсивности I0, отмечаемому в долговременной характеристике. Кроме того, приемник излучения, детектор, обладает обычно зависимой от частоты чувствительностью, что послужило основанием для создания двух типов спектрометров – одно и двухлучевого.

66

Глава 2. Взаимодействие между светом и материей

2.8.1. Однолучевые спектрометры Как следует из названия, в данном случае на оптической скамье в устройстве нахо дится только один световой луч от источника к детектору. Этот вид устройства рас считан исключительно на количественные измерения, при которых интенсивность излучения I0 определяется при одной измеряемой длине волны в самом начале ана лиза и далее – при необходимости – через установленные промежутки времени. Итак, традиционные однолучевые спектрометры предназначены исключительно для количественного анализа.

2.8.2. Двухлучевые спектрометры Так называемые двухлучевые спектрометры обладают более сложной оптикой и значительно дороже однолучевых исполнений. Их разрабатывали специально для регистрации спектров. Поскольку интенсивность источника излучения I0 зави сит от длины волны, то есть каждый излучатель с непрерывным распределением энергии излучает в широком интервале длин волн не с постоянной интенсивнос тью, это необходимо учитывать при регистрации спектра, для чего и используется двухлучевой прибор. Падая от источника непрерывного излучения, свет пооче редно проходит через измерительную кювету и кювету сравнения. Это достигает ся посредством вращающегося секторного зеркала, причем детектор срабатывает на одну и ту же частоту, принимая попеременно I0 и I. Итак, для регистрации спектров с помощью традиционного оборудования тре6 буются двухлучевые спектрометры, позволяющие, конечно, проводить и количествен6 ные измерения. «Розжига» источника излучения при таком типе спектрометра в принципе не требуется, поскольку изменения его интенсивности всегда компенсируются двух

Источник Моно& излучения хроматор

Свето& делитель

Измерительная ячейка Детектор Сравнительная ячейка

Свето& Источник делитель излучения

Измерительная ячейка Моно& хроматор Сравнительная ячейка

Рис. 2.7. Блоксхема двухлучевого спектрометра

Детектор

2.8. Традиционный спектрометр

67

лучевым способом работы. Расположение поглощающих ячеек у разных типов приборов различно. Они могут находиться перед монохроматором либо после него, как показано на рис. 2.7. Описанным здесь традиционным устройствам можно противопоставить со временные мультиплексные способы, позволяющие регистрировать спектры также и в однолучевом режиме. К ним относятся в первую очередь матрицы фотодио дов, которые, действуя по принципу цифровой фотопластинки спектрографа, дают возможность наблюдать одновременно множество длин волн с последующим счи тыванием необходимой информации. Далее следует назвать спектральные фурье приборы, содержащие вместо монохроматора интерферометр.

ÃËÀÂÀ 3 ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏÈß Â ÓÔÈ ÂÈÄÈÌÎÉ ÎÁËÀÑÒßÕ ÑÏÅÊÒÐÀ Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра (именуемая иногда электрон ной спектроскопией) входит в число стандартных методов, успешно применяе мых в аналитических исследованиях на протяжении многих десятилетий. За эти годы спектрометры в техническом отношении шагнули далеко вперед. В то время как в отношении обычного лабораторного оборудования шли путем упрощения оптических компонентов, стремясь снизить его стоимости, для приборов нового поколения применение микропроцессоров только набирало силу. В целях под держки пользователя нередко прибегали даже к сочетанию спектрометров с тер миналами обработки данных. Качество спектрометров для УФ и видимой областей, несмотря на почти по всеместное оснащение их микропроцессорами, все еще определяется прежде все го добротностью используемой оптики и эффективностью отдельных оптических элементов. Встроенные внешние блоки обработки данных предусмотрены глав ным образом для дальнейшей обработки информации, полученной оптическими средствами. Если еще несколько лет назад распространенной темой дискуссий были лишь одно или двухлучевые системы, сейчас большую долю рынка занимают мульти плексные способы, нашедшие применение в линейных диодных матрицах и уст ройствах, функционирующих по принципу преобразования Фурье [3.1]. Огромный выбор самых разных моделей обусловил и широкий разброс цен. Самые простые приборы предлагаются по цене порядка 3000 нем. марок, а цена оборудования с оптической точностью высокого разрешения достигает уже 100 000 нем. марок. Благодаря технологии на основе матриц фотодиодов, которая все это время активно внедрялась в спектроскопию УФ и видимой областей, требующие боль ших затрат времени традиционные способы регистрации спектров путем скани рования, или считывания (scanning), то есть механического просмотра опреде ленного интервала длин волн, были заменены большим числом почти вплотную прилегающих друг к другу фотодиодов с жестким монтажом. Скорость регистра ции при этом весьма велика и может быть ограничена лишь темпом считывания и скоростью обработки данных. Простое и более удобное обслуживание оборудования, с одной стороны, по зволяет широко применять его в повседневной работе, но, с другой стороны, таит в себе опасность недооценки вероятности ошибок и погрешностей. Высокая эф фективность в сфере фотометрии, то есть при квантификации компонентов ана лизируемого вещества, открывает широкие возможности для проведения самых разных аналитических определений, которые, однако, выдвигают достаточно вы сокие требования к пользователю, особенно на уровне хемометрики.

3.1. Классификация электронных переходов

69

3.1. Классификация электронных переходов В видимой и УФ областях спектра кванты света обладают таким количеством энергии, что благодаря этому электроны с самыми слабыми связями – валентные электроны – могут возбуждаться и, соответственно, подниматься на более высо кий энергетический уровень. Как электроны атомов (атомные спектры), так и электроны молекул поглощают фотоны и испускают их при возврате в основное состояние. Миграция электронов продолжается в течение примерно 10–16 с1. В за висимости от участвующих электронов возможны переходы между разными энер гетическими уровнями. Валентные электроны соединений принято подразделять на электроны σ и πсвязей. В случае гетероатомов добавляются еще несвязывающие электроны не поделенных пар, определяемые как nэлектроны. В невозбужденном состоянии электроны парами с противоположным спином заселяют низшие энергетичес кие уровни молекулы. В результате абсорбции квантов света, или фотонов, соот ветствующей энергии электроны могут переходить в вакантное несвязывающее состояние, обозначаемое верхним индексом (звездочкой) рядом с символом элек трона. При использовании такой классификации возможны электронные пере ходы, представленные в табл. 3.1. Длинноволновые поглощения двойных связей, происходящие в результате электронных переходов между высшими заполненными и низшими свободными орбиталями πсвязей молекул, известны как π → π*переходы. Подобные длин новолновые переходы возможны еще только при наличии атомов с электронами неподеленных пар. Они основаны на электронных переходах с несвязывающих орбиталей атомов на возбужденные орбитали молекул σ или πсвязей (так назы ваемые n → σ* или n → π*переходы). Абсорбция соединений, содержащих только электроны σсвязей, протекает, как правило, в вакуумной УФобласти ниже 180 нм. В этом диапазоне, которому соответствуют уже весьма значительные энергии возбуждения, обнаруживают так же упорядоченные полосы серий Ридберга (N → R*переходы), которые по анало гии с соответствующими сериями атомных спектров осуществляются в результате Òàáëèöà 3.1. Ýëåêòðîííûå ïåðåõîäû â ñîåäèíåíèÿõ

1

Ñèìâîë

Âèä ïåðåõîäà

π → π*

Ïåðåõîä ìåæäó çàñåëåííûìè è íåçàñåëåííûìè ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè π-ñâÿçåé

n → σ*

Ïåðåõîä n-ýëåêòðîíà èç íåñâÿçûâàþùåãî àòîìíîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ íà íåçàñåëåííûé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü σ-ñâÿçåé

n → π*

Ïåðåõîä n-ýëåêòðîíà èç íåñâÿçûâàþùåãî àòîìíîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ íà íåçàñåëåííûé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü π-ñâÿçåé

σ → σ*

Ïåðåõîä ìåæäó çàñåëåííûì ñâÿçûâàþùèì è âîçáóæäåííûì íåñâÿçûâàþùèì ýíåðãåòè÷åñêèì óðîâíåì σ-ñâÿçåé

N → R*

Ïåðåõîäû ìåæäó îñíîâíûì ñîñòîÿíèåì è âûøåëåæàùèìè ìîëåêóëÿðíûìè îðáèòàëÿìè (N – íåâîçáóæäåííîå ñîñòîÿíèå, R – ñîñòîÿíèå Ðèäáåðãà)

Обычно времена жизни возбужденных электронных состояний атомов и молекул имеют порядок 10–8 с. – Прим. ред.

70

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Рис. 3.1. Схема π → π* и n → π*переходов карбонильной группы

возбуждения электрона на вышележащие орбитали молекул в направлении их ионизации. Молекулы обладают обычно одним синглетным состоянием с антипараллель ными спинами электронов в качестве невозбужденного состояния и – как синглет ным, так и триплетным – состояниями с параллельными спинами электронов в качестве электронновозбуждаемых состояний. Поскольку взаимодействие между спином электрона и электромагнитным полем света не столь активно, вероятность изменения ориентации спина при электронном возбуждении очень низка. Здесь действует правило отбора (как в случае атомов), согласно которому переходы раз решены только между состояниями равной мультиплетности, то есть исключительно между синглетными или между триплетными состояниями. Поэтому переходы с переориентацией спина «запрещены». С возрастанием атомного веса элементов в результате так называемой спинорбитальной связи, то есть связи спина электрона с электронными орбиталями, становятся возможны и синглетнотриплетные пере ходы, вызывающие явления фотолюминесценции. Многие молекулы обладают электронной конфигурацией с возбужденными связывающими и также несвязывающими электронами. Например, в случае кар бонильной группы >C=O могут возбуждаться как связывающие πэлектроны, так и несвязывающие nэлектроны атома О (см. рис. 3.1). В подобных случаях по глощение осуществляется, конечно, при разных длинах волн.

3.1.1. Принцип Франка – Кондона При переходах между отдельными энергетическими состояниями в отношении изменений квантовых чисел действуют специальные правила отбора. Для возмож ных изменений колебательного квантового числа вместо правила отбора приме няют известный принцип Франка – Кондона. Переходы из одного электронного состояния в другое осуществляются настолько быстро (10–15 с), что в течение это го времени в силу более медленных ядерных колебаний (их длительность около 10–13 с) межатомное расстояние почти не меняется. Это означает, что электрон ный переход протекает во времени – по сравнению с колебаниями инерционных ядер атомов – гораздо быстрее, так что при электронном возбуждении располо жение атомных ядер практически не может измениться.

3.2. Теоретический расчет электронных переходов

71

Итак, принцип Франка – Кондона гласит: при одновременном электронном воз буждении наиболее вероятны колебательные переходы, происходящие без изменения межъядерного расстояния. Так как при комнатной температуре заселено преимущественно основное ко лебательное состояние, то при электронном возбуждении всегда наиболее вероят ными будут переходы, ведущие в колебательные состояния, для которых вероят ность жизни атомных ядер является максимальной также и при равновесном ин тервале основного состояния. При электронном возбуждении часто осуществляет ся переход с наибольшей вероятностью не в нормальное колебательное состояние возбуждения, а в одно из вышележащих колебательных состояний. С меньшей ин тенсивностью возможны наряду с этим и переходы в соседние колебательные со стояния с большей или меньшей энергией возбуждения, так что самая интенсив ная полоса после более высоких или более низких частот сопровождается менее интенсивными полосами.

3.2. Теоретический расчет электронных переходов По уравнению ∆Е = ЕВ – ЕА = hν можно вычислить поглощение света чисто тео ретическим путем, если удастся рассчитать разные энергетические состояния мо лекулы ЕА, EB, EC и т.д. Путь такого решения принципиально ясен. Он проистека ет из квантовой механики и реализуется через уравнение Шредингера. Однако точное теоретическое измерение возможно только для атома водорода, а при атом ной системе даже из двух электронов правильное вычисление недостижимо изза взаимного влияния электронов. В отличие от атомов, где мешающим фактором можно считать исключительно электронные взаимодействия, у молекул допол нительно еще приходится принимать во внимание взаимодействия с другими яд рами, как и самих ядер друг с другом. Связь молекулы есть следствие электронно го обмена изза неразличимости, что приводит к вероятности конечной жизни электронов и, соответственно, их заряда между ядрами. Не существует чисто математического способа решения задач с собственны ми значениями молекул и, следовательно, унифицированного описания хими ческой связи на основе квантовой механики. У двухатомных молекул еще вполне допустимо описание электронных состояний с помощью главного квантового числа, орбитального квантового числа, магнитного квантового числа и спиново го квантового числа. Но если молекула состоит из нескольких атомов, то ее рассмотрение ограни чивается электроном, выполняющим переходы. Следовательно, для проведения необходимых расчетов придется прибегать к упрощениям во избежание извест ных сложностей математического характера. Для решения такого рода проблем предлагается два принципиально разных метода приближенного вычисления мо лекулярных функций, а именно: молекулярноорбитальный (МО) и валентных связей (ВС). Метод валентных связей использует линейные комбинации атомных орбита лей, исходя от раздельных атомов и их орбитальных функций (атомные орбита

72

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Светопоглощение

ли). Молекулярноорбитальный метод идет от уже готового скелета ядра молеку лы и так называемых молекулярных орбиталей. При этом энергетические состоя ния электронов в наипростейшем случае получаются из линейных комбинаций подходящих атомных орбиталей в форме молекулярных орбиталей, а скелет мо лекулы с его остаточными электронами рассматривается как постоянный. Таким образом, речь идет об одноэлектронном приближении с созданием так называе мой молекулярноорбитальной схемы энергетических уровней для всех электро нов молекулы. Эта схема энергетических уровней заполняется по принципу Паули. Энергию перехода электрона из высшей заполненной молекулярной орбитали HOMOOrbital (highest occupied MO) на низшую вакантную молекулярную орбиталь LUMOOrbital (lowest unoccupied MO) можно приблизительно вычислить, сделав прогноз каса тельно характеристики поглощения в видимой и УФобластях спектра. Значитель ное упрощение и, следовательно, лучшее приближенное вычисление достигается в случае легко возбудимых электронов πсвязей, которые несут основную ответствен ность за поглощение света в видимой и УФобластях спектра. Указанные πэлект роны в первом приближении не взаимодействуют с прочими электронами, так что при определении энергий возбуждения можно ограничиться рассмотрением πэлек тронных состояний. Эти полуэмпирические способы имеют огромное значение для теоретичес кой интерпретации электронных спектров. Они позволяют соотносить наблюда емые полосы с определенными электронными переходами. Теоретически оцени вать можно не только области поглощения отдельных полос, но и сведения об интенсивности и влиянии соответствующих заместителей. Интересное примене ние можно здесь усмотреть, например, в разработке наносимых на кожу солнце защитных средств. Их задачей является защита кожи путем поглощения опасных лучей УФБ (от 320 нм). На основе математических расчетов удается теоретически структурировать соответствующие молекулы, которые еще пропускают желаемые лучи УФА (до 320 нм), необходимые для получения загара, и поглощают большую часть нежелательных лучей УФБ, способных вызвать рак кожи (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Теоретический расчет поглощающей способности солнцезащитного средства

3.2. Теоретический расчет электронных переходов

73

Далее, такие расчеты демонстрируют зависимости между УФспектрами, по луволновыми потенциалами, потенциалами ионизации и рядом других свойств. Однако они имеют большее значение для химиковтеоретиков, чем для химиков аналитиков.

3.2.1. Энергия диссоциации и потенциал ионизации Два важных параметра – энергия диссоциации и потенциал ионизации – дают информацию об электронных спектрах. Можно было бы предположить, что оп тическая диссоциация молекулы при поглощении энергии диссоциации в воз бужденном электронном состоянии была бы возможна в результате только одно го колебательного возбуждения. Но вероятность перехода из основного колеба тельного состояния по мере возрастания квантового числа все понижается, а в состоянии диссоциации (с высоким квантовым числом) почти равна нулю. Оптическая диссоциация возможна только при одновременном электронном возбуждении. В результате поглощения из нормального электронного состояния могут возбудиться все колебательные состояния электронного возбуждения, в том числе и ведущие к диссоциации. Затем с переходом через порог диссоциации осу ществляется поглощение в непрерывный спектр энергии переноса диссоциирован ных молекул. Теперь в спектре можно наблюдать систему сходящихся к порогу дис социации полос с примыкающим к ней непрерывным спектром поглощения. Ионизационный потенциал есть энергия, которую должна получить молеку ла для отрыва электрона. Если возбуждать молекулы до отрыва электрона и далее, то появление непрерывного спектра поглощения (ионизационного континуума) характеризует порог ионизации и, следовательно, ионизирующую энергию. Сле дует отметить, что определяемые отсюда потенциалы ионизации молекул теоре тически понять гораздо сложнее, чем потенциалы ионизации атомов, но они дают более обширную информацию о поведении электронов связи.

3.2.2. Хромофоры Термином «хромофор» (от греч. сhromos – цвет, окраска) обозначают систему, элек троны которой ответственны за происходящую абсорбцию света. Большинство простых, несопряженных хромофоров из табл. 3.2 обладают столь энергетически сильным и поэтому коротковолновым поглощением, что польза от них невелика. Òàáëèöà 3.2. Àáñîðáöèÿ ïðîñòûõ õðîìîôîðîâ Õðîìîôîð Ýëåêòðîíû σ-ñâÿçåé >C–C< è >C–H< n-ýëåêòðîíû –O– –N< –S– >C=O Ýëåêòðîíû π-ñâÿçåé >C=C
C=O, >C=S, >C=N–, –N=N– и т.д., имеют еще, помимо двой ной связи, неподеленную пару электронов. Поэтому в их спектрах наряду с пере ходами π → π* дополнительно появляются также n → π*переходы при более длин ных волнах, но с меньшей интенсивностью. С–Стройная связь состоит из одной σ и двух πсвязей. Обе πсвязи распо ложены перпендикулярно друг к другу, причем интервал между ними меньше, чем при двойной связи, что и обуславливает более сильную связь πэлектронов. Для π → π*перехода обнаруживают в ацетилене две полосы поглощения, так как здесь могут возбуждаться две разные πсвязи, одна из которых будет с более длин ными волнами, другая – с более короткими, чем переход при соответствующей двойной связи. Полосы поглощения тройной связи в интервале более длинных волн находятся на уровне выше 200 нм, однако они столь малоинтенсивны, что С–Стройную связь просто не принято относить к хромофорным группировкам. Когда в молекуле находится несколько хромофоров, то степень влияния на характеристику поглощения зависит от их взаимного расположения. Если они далеко отстоят друг от друга, спектр поглощения в значительной мере складыва ется как сумма полос хромофорных группировок. Если же таковые связаны с со седними или даже с теми же самыми атомами, то обнаруживается смещение в длинноволновую сторону и повышение оптической плотности. Практическое значение в спектроскопии УФ и видимой областей спектра при обретают только хромофоры, в которых имеет место сопряжение. Сопряжение групп, содержащих электроны πсвязей, приводит к интенсивному взаимодействию между ними и к делокализации πэлектронов. В то время как изолированная двой ная связь, например в бутене, вызывает максимум поглощения при длине волны примерно 190 нм и, следовательно, является «чересчур» коротковолновой для про ведения простых измерений, при сопряженной двойной связи, например в бутади 1

Поглощение света кислородом воздуха. – Прим. ред.

3.2. Теоретический расчет электронных переходов Бутен

75

Бутадиен

Рис. 3.3. π → π*переход у бутена и бутадиена

ене, энергетический уровень высшей заполненной орбитали поднимается, а уро вень низшей свободной несвязывающей орбитали понижается, как это видно на рис. 3.3. В бутадиене появляется легко идентифицируемый и измеряемый простым способом максимум поглощения π → π*перехода при длине волны 217 нм. Если эти орбитали перекрываются более чем двумя πсвязями, интервал между энергетическими уровнями продолжает сокращаться, и абсорбция наступает при более длинных волнах. У гексатриена максимум поглощения наступает при 258 нм. Наконец, в случае длинноцепных полиенов максимум поглощения смещается в сторону видимой области. В качестве примера можно назвать каротин (С40Н56) и изомерный ликопин (красящее вещество томатов, плодов шиповника и многих других фруктов), содержащие по 13 сопряженных двойных связей. Итак, можно сделать следующее заключение: чем длиннее сопряженная систе ма, тем на более длинноволновую область приходится максимум поглощения. Активные взаимодействия сопряженных электронов πсвязей могут быть опи саны путем наложения граничных структур. Фактическое электронное распреде ление в молекуле определяется как промежуточное состояние (мезомерия) этих граничных структур, из которых каждая в отдельности не дает правильного тол кования состояния связи. Поскольку в таких мезомерных молекулах πэлектро ны уже не принадлежат одиночным связям, а более или менее делокализованы в сопряженной системе, то – за некоторым исключением – невозможно отнести полосы поглощения к отдельным хромофорам сопряженной системы. Поглоще ние света в видимой и УФобластях спектра при сопряженных соединениях более типично для общей πэлектронной системы. Сопряженные системы отличаются не только длинноволновым, но и очень интенсивным поглощением. Легкая подвижность электронов πсвязей способ ствует образованию возбужденных структур с большими дипольными моментами из преимущественно неполярных основных состояний. Отсюда вытекают боль шие переходные моменты, служащие толчком к появлению наблюдаемых силь ных поглощений. Бензол имеет три электронные пары πсвязей и как простейший ароматичес кий углеводород представляет собой особенно идеальную систему сопряжения. Хотя имеет место полное выравнивание связи в пределах молекулы, поглощение на уча стке самых длинных волн можно найти в дальнем ультрафиолете. В этом состоит особенность положения бензола как не обладающей большой энергией симмет ричной системы из шести электронов πсвязей. По сравнению с гексатриеном, пока

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Оптическая плотность

76

Длина волны, нм

Рис. 3.4. Спектр поглощения бензола

зывающим максимум поглощения при длине волны 258 нм, бензол имеет три по лосы поглощения. Полоса поглощения в самой длинноволновой области порядка 255 нм, демонстрирующая лишь незначительную интенсивность, относится к зап рещенному π → π*переходу, возможному только при условии наложения колеба ний атомов. Рисунок 3.4 показывает, что эта полоса обладает четко выраженной колебательной структурой. За более коротковолновым поглощением около 200 нм следует несколько более мощное поглощение, которое также соответствует запре щенному π → π*переходу. И только третье, высокоинтенсивное поглощение бензо ла при длине волны 185 нм может быть отнесено к разрешенному π → π*переходу.

3.3. Разрешенные и запрещенные переходы С разделением на разрешенные и запрещенные электронные переходы связаны абсолютно разные интенсивности поглощения. Облучение соединений может, но не обязательно должно приводить к возбуждению электронов, поскольку не каж дый переход в равной степени вероятен. Интенсивность полосы поглощения, ос нованной на запрещенном переходе, на десятичные порядки ниже интенсивнос ти полосы разрешенного перехода. Способность к светопоглощению посредством переходов между двумя элект ронными состояниями с разной энергией зависит от того, можно ли под влиянием электромагнитного излучения перевести электронное распределение основного состояния в электронное распределение возбужденного состояния. Для их взаимо действия с электрическим полем света необходимо, как и в случае ИКспектров, чтобы при возбуждении осуществлялось изменение распределения зарядов, опре деляемое через так называемый момент перехода: он как раз показывает происхо дящее при электронном возбуждении изменение распределения зарядов. Этот мо мент всегда достаточно велик при переходах между электронными состояниями с разной симметрией распределения зарядов. В таком случае имеет место разрешен ный переход, инициирующий интенсивное поглощение. Напротив, переходы между электронными состояниями равной симметрии распределения зарядов запрещены, так как при этом не возникает указанного момента перехода. Только в результате одновременного участия колебаний ато

3.4. Принцип измерения

77

мов, нарушающих симметрию распределения зарядов, электронное распределе ние в обоих состояниях изменяемо настолько, что запрет на переход уже не будет таким уж строгим и может быть нарушен. Однако интенсивность основанной на таком переходе полосы поглощения будет все же на несколько десятичных по рядков меньше, чем в случае разрешенного перехода. Примером разрешенного перехода может служить полоса бензола при длине волны 255 нм (π → π*пере ход) либо ее эквивалент в более сложных системах. Заключение о том, что максимально возможные интенсивности поглощения должны возрастать с увеличением размеров поглощающей системы сопряжения, вытекает из достаточно простого рассуждения, что свет может поглощаться толь ко тогда, когда фотон «встречается» с поглощающей электронной системой. Сле довательно, существует прямая пропорциональная зависимость между геометри ческими размерами молекулярной «зоны назначения» и интенсивностью погло щения, которая, кроме прочего, зависит еще и от упомянутой выше вероятности соответствующего электронного перехода. Существует множество факторов, ока зывающих влияние на вероятность определенного перехода. На первом месте стоят правила, указывающие на то, какие переходы являются разрешенными и какие запрещенными. Они довольно сложны, поскольку зависят от симметрии и муль типлетности как основного, так и возбужденного состояния. Конденсированные ароматические циклические системы имеют общую, рас тянутую на все циклы, электронную систему πсвязей, ответственную за погло щение света. Полосы поглощения приходятся на участок спектра, именуемый областью «отпечатков пальцев». Положение полос поглощения зависит от числа конденсированных циклов и их расположения относительно друг друга. При чет ко выраженных системах сопряжения поглощение в конце концов смещается вплоть до видимой области, в результате чего получают цветные вещества или, соответственно, красители. Итак, интенсивное длинноволновое поглощение делает вытянутые πэлектрон ные системы особенно удобными для исследований в видимой и УФобластях спектра. Это означает, что в случае наибольшего числа органических соединений, по глощающих в ближней УФ и видимой областях спектра, речь идет о мезомерных соединениях с системами сопряженных кратных связей. Но не существует про стого правила или метода, позволяющего идентифицировать один хромофор, ибо на спектр воздействует слишком много факторов, так что пришлось бы иметь дело с несметным числом возможных структур.

3.4. Принцип измерения Традиционные спектрометры в УФ и видимом интервалах длин волн состоят из следующих основных узлов: • • • •

источника излучения, диспергирующего элемента (монохроматора), камеры образца и детектора (приемнорегистрирующего устройства).

78

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

В спектроскопии УФ и видимой областей спектра различают два вида при боров: фотометр и спектрометр. Фотометры при выбранных установленных длинах волн измеряют поглоще ние, причем длина волны выбирается с помощью оптических фильтров в ходе лучей. Такие устройства используются только для количественных анализов и не предназначены для регистрации спектров. Спектрометры последовательно и автоматически регистрируют отдельные дли ны волн, причем длина волны устанавливается с помощью дифракционной ре шетки. Чтобы компенсировать различия в зависимой от длины волны интенсив ности света I0, спектрометры могут иметь двухлучевое исполнение.

3.4.1. Источники света В качестве источников света в УФ и видимой областях находят применение из лучатели либо со сплошным, либо с линейчатым спектром. Последние могут ис пользоваться только в фотометрах, где отдельные линии выделяются посредством оптических фильтров. Подходящие интерференционные фильтры с шириной по лос от 10 до 15 нм предлагаются для каждого участка спектра. Излучателям со сплошным спектром требуется монохроматор для спектрального разложения лу чистого потока. Среди излучателей с линейчатым спектром наибольшей популярностью пользу ется ртутная спектральная лампа благодаря ее высокой интенсивности и возмож ности получения большого числа линий. Поскольку давление заполнения у этих ламп оказывает влияние на спектральное распределение интенсивности, то в зави симости от области применения выбираются лампы высокого, среднего либо низ кого давления. Лампы низкого давления заполнения (от 1 до 100 Па) довольно ин тенсивно излучают линии в УФобласти спектра. Так, интересная для химико аналитических целей линия около 254 нм у этого вида ламп обладает очень высо кой интенсивностью. Лампы среднего и высокого давления заполнения (от 0,1 до 10 бар) имеют равномерное распределение интенсивности в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Рисунок 3.5 демонстрирует спектральное распределение интенсивности га логенной лампы высокого давления. Здесь отчетливо видна обусловленная отно сительно высоким давлением часть сплошного спектра. Интенсивность

Длина волны, нм

Рис. 3.5. Спектр излучения Hgлампы высокого давления

3.4. Принцип измерения Интенсивность

79

Интенсивность

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Рис. 3.6. Спектр излучения дейтериевой лампы (слева) и галогенной лампы (справа)

Интенсивность

Если рассматривать исключительно спектрометры, то в этом случае в каче стве источников света допустимы только излучатели с непрерывным распределе нием энергии. При этом для УФобласти спектра предлагаются дейтериевые, а для видимой области – вольфрамовогалогенные лампы. Спектры излучения этих обоих видов ламп представлены на рис. 3.6. При прохождении по всему интерва лу длин волн достигается за счет переключения зеркал автоматическая смена све та – с дейтериевой лампы на галогенную. Если приходится использовать всю спектральную область при наличии одно гоединственного излучателя, то в таком случае самыми подходящими считаются ксеноновые лампы. Из рис. 3.7 видно, что ксеноновые лампы в значительной ча сти спектра дают непрерывное излучение, а в средней части получается несколь ко наложенных друг на друга узких линий. Но благодаря высокой доле сплошно го спектра можно для большой УФ/видимой области выбирать любую желаемую длину волны. Однако при этом следует учитывать, что все эти источники света в граничных интервалах длин волн показывают сильное понижение интенсивнос ти излучения. Многие ксеноновые лампы классифицируются как «лампы без озона», так как они обладают кварцевой колбой, не проницаемой для света ниже 250 нм. По этой причине значительно сокращается озонирование окружающего воздуха, так что отпадает необходимость в специальном отводном оборудовании. Прямой свет лампы ни в коем случае не должен попадать в глаза: яркие УФлучи разрушают сетчатку и роговицу глаза.

Длина волны, нм Рис. 3.7. Спектр излучения ксеноновой лампы

80

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

3.4.2. Монохроматор Белый свет ламп, проходя через монохроматор, последовательно заполняет все пространство. Современные монохроматоры в большинстве своем содержат диф ракционные решетки, качество которых определяется, кроме прочего, размером и числом штрихов. В двойных монохроматорах часто выбираются также комби нации из призм и решеток, что несомненно повышает качество устройства. Следует различать плоские и вогнутые дифракционные решетки. Плоские решетки, как правило, нарезаются механическим способом, причем индивиду альная форма отдельного штриха определяет длину волны для максимальной эф фективности («угол блеска»). Вогнутые решетки изготовляются голографическим способом и не имеют собственно угла блеска. Они не достигают пиковой эффек тивности решеток со штрихами, которая может составлять даже 95%, но зато обес печивают более равномерную, распределенную по всей области спектра, но в це лом несколько меньшую эффективность. Голографические решетки отличаются, естественно, ничтожно малыми погрешностями, генерируя в 10–100 раз меньше рассеянного света. Для щелевой функции чрезвычайно важно, чтобы входная и выходная щели монохроматора могли одновременно настраиваться на разную спектральную ши рину. При традиционном применении (в случае спектрометров последовательно го действия) через выходную щель из спектра выделяется однаединственная длина волны, то есть мы имеем дело с монохроматичностью. Свет попадает в камеру образца, которая – в отличие от ИКспектроскопии – располагается позади дис пергирующего элемента, чтобы проба как можно меньше подвергалась воздей ствию высокоэнергетического излучения. Свет будет обладать тем большей монохроматичностью, чем более узкую щель удается установить. Однако уменьшение ширины щели ограничено требованием, касающимся достижения максимально благоприятной для измерения интенсив ности пропущенного света, и зависит, следовательно, от силы света устройства и чувствительности детектора. Выходящий из щели лучистый поток имеет, таким образом, некую конечную «спектральную ширину», порядок величины которой составляет от 0,5 до 2 нм и которая – наряду с погрешностями измерения и счи тывания – ограничивает точность определения положения полос спектра погло щения.

3.4.3. Детектор В качестве приемников, или приемнорегистрирующих устройств, служат либо фотоэлектронные умножители (ФЭУ), либо фотодиоды. Более дорогие и более чувствительные фотоумножители, именуемые также вторичноэлектронными умножителями (ВЭУ), представляют собой электровакуумные фотоэлементы, которые посредством динодов (10–14) по каскадному принципу усиливают элек троны, на основе фотоэффекта удаляемые фотонами из фотокатода (рис. 3.8). Их число в широком диапазоне пропорционально числу возникающих фотонов. Это умноженное число электронов формирует на аноде соответствующий сигнал.

3.4. Принцип измерения

81

Диноды

Свет

Анод

Катод

Рис. 3.8. Принцип действия ВЭУ

Относительная чувствительность

Наиболее распространенные типы умножителей различаются преимущественно материалом катода и материалом окна. Их область применения простирается от вакуумного ультрафиолета и видимого излучения до ИКучастка спектра. С уче том высокого выхода электронов в умножителях, в качестве катодного материала используются исключительно щелочные металлы либо их соединения (чаще все го окислы щелочных металлов). Фотоэлектронные умножители очень удобны для измерения самых слабых световых импульсов. Благодаря пониженному шумовому фону, высокому усиле нию и большому диапазону линейности они считаются наиболее подходящими для указанной цели и широко используются в спектральнооптических аналити ческих приборах, детекторах частиц и фотометрах. Все детекторы, как и человеческий глаз, обладают зависимой от длины волны чувствительностью. У фотоумножителей материал катода определяет положение максимума чувствительности и ее спектральное распределение. Длинноволновой предел чувствительности задан потенциалом выхода электронов при данном ма териале катода. Чтобы индицировать всю УФ/видимуюобласть, применяют слож ные (многокомпонентные) щелочные фотокатоды. Для материала окна выбира ют либо кварц (с перекрытием всего УФспектра), либо боросиликатное стекло, ограничивающее УФобласть на уровне ниже 300 нм, как это видно на рис. 3.9. Стандартом ДИН нормирована УВ/видимая область спектра для 200–780 нм. Коммерческие устройства предлагаются в большинстве случаев в интервале от 190 до 900 нм. Данные, приведенные в проспектах для диапазона измерения ниже 190 нм, релевантны лишь при условии, что весь спектрометр продувается азотом (пути про

Кварцевое окно Стеклянное окно Длина волны, нм

Рис. 3.9. Характеристика фотоумножителя с полищелочным катодом

82

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

хождения света, монохроматор, камера образца). В противном случае при длине вол ны ниже 190 нм излучение будет полностью поглощаться кислородом воздуха.

3.4.4. Кюветы Широко распространенным способом регистрации является измерение в раство ре, для чего используются кюветы – обычно с толщиной слоя 1 см. Однако при необходимости возможна меньшая (до 0,1 мм) или большая (до 100 мм) толщина. Для проб небольшого объема предлагаются кюветы с уменьшенным поперечным сечением, но с той же толщиной оптического слоя. Оптическая проницаемость определяется материалом кюветы, в качестве которого находят применение раз ные виды стекла. Так, оптическое стекло прозрачно только до длины волны око ло 300 нм. Для измерения всей УФобласти до 190 нм требуются кюветы из более дорогого кварцевого стекла. В наипростейшем варианте кюветы заполняются вручную и помещаются в камеру образца. Иногда устройства оснащаются подходящими направляющими салазками для одновременного приема сразу нескольких кювет. Наряду с вариан тами ручного заполнения пользуются популярностью также самозаполняющиеся кюветы и исполнения с загрузкой через воронку, находящуюся за пределами ка меры. Опорожнение и промывка осуществляются путем подключения небольшого всасывающего насоса. В других случаях раствор пробы подается по принципу вса сывания через тефлоновый шланг. Для непрерывных измерений в режиме реаль ного времени имеются специальные кюветы с прокачкой. Понятно, что камера образца должна быть надежно закрыта от окружающего света лаборатории. Ее размеры выбираются с расчетом на то, чтобы обеспечива лось термостатирование не только кюветы, но и самой камеры. Это позволяет ис ключить влияние экстремальных температур на электронику измерительного уст ройства. Геометрия хода лучей рассчитывается таким образом, чтобы и при боль шой толщине слоя (например, 10 см) ход лучей не соприкасался с краями кюветы.

3.5. Измерение спектра Подлежащие исследованию пробы могут быть представлены во всех трех агрегат ных состояниях. Для изучения строений веществ самыми благоприятными пред ставляются спектры газа, при которых связь между поглощением света и структу рой отдельных молекул в наименьшей степени нарушается межмолекулярными взаимодействиями. Но для целого ряда соединений такой вариант не годится, поскольку они в допустимом диапазоне температур не обладают требуемой лету честью. Поэтому самым ходовым способом регистрации остается измерение в сильно разбавленном растворе, причем используются кварцевые кюветы с нормальной толщиной слоя в 1 см. Расход вещества здесь совсем невелик, и, как правило, на ходят применение растворы от 10–2 до 10–5 моль/л. В качестве растворителей могут рассматриваться все вещества, не обнаружи вающие самопоглощения в исследуемой области спектра. Измеренные в растворе

3.5. Измерение спектра

83

Òàáëèöà 3.3. Ðàñòâîðèòåëè, èñïîëüçóåìûå â ÓÔ-ñïåêòðå, è èõ ïðåäåëüíàÿ ïðîíèöàåìîñòü â èíòåðâàëå êîðîòêèõ âîëí Ðàñòâîðèòåëü Âîäà

Ìèíèì. äîïóñòèìàÿ äëèíà âîëíû 185 íì

Àöåòîíèòðèë

190 íì

Ïåòðîëåéíûé ýôèð

195 íì

Öèêëîãåêñàí

195 íì

Ìåòàíîë

200 íì

Ýòàíîë

200 íì

Ñëîæíûé ýôèð

210 íì

Äèõëîðìåòàí

220 íì

Õëîðîôîðì

237 íì

Òåòðàõëîðìåòàí

257 íì

Áåíçîë

270 íì

спектры поглощения с точки зрения положения, интенсивности и формы их полос по сравнению со спектрами газа изменены тем больше, чем сильнее межмолеку лярные взаимодействия между растворенным веществом и растворителем, так что для целей спектроскопии в качестве растворителей более всего подходят непо лярные углеводороды – гексан, гептан или циклогексан. Перечень чаще всего используемых растворителей приведен в табл. 3.3. Здесь регистрация спектров осуществляется преимущественно в форме гра фика, где оптическая плотность Е наносится относительно длины волны λ. По скольку коэффициенты оптической плотности отдельных полос поглощения мо гут различаться до нескольких десятичных порядков, то лишь в логарифмичес ком масштабе даже совсем слабые полосы способны еще проявиться наряду с об ластями очень интенсивных поглощений. Полученные таким образом спектры поглощения тоже могут играть роль «от печатков пальцев» при идентификации тех или иных веществ. Но по причине го раздо меньшего числа их полос они не столь характеристичны, как ИКспектры. В случае проб, у которых интересующий компонент в биологических материалах или при относительно сильном основном поглощении отличается слишком сла бой абсорбцией, проблемы выбора способа измерения пытаются решать на осно ве или дифференциальной (разностной), или производной спектрометрии. Особо ценные сведения о строении исследуемого вещества дает теоретичес кая расшифровка спектров, которая делает абсорбционную спектроскопию в ви димой и УФобластях незаменимым вспомогательным средством для любой со временной химической лаборатории.

3.5.1. Тонкая колебательная структура Как уже говорилось в теоретической части, для переходов между отдельными элек тронными уровнями молекулы не существует четких линий поглощения, а на блюдаются системы широких полос, проистекающих от наложения одновремен но осуществляемых колебательных и вращательных переходов через электронный переход.

84

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра Энергия Возбужденные колебательные состояния Первое состояние электронного возбуждения Вращательные состояния Возбужденные колебательные состояния Основное электронное состояние

Рис. 3.10. Перекрытие электронных переходов колебательными и вращательными переходами

Для наблюдаемых частот поглощения имеет силу следующее уравнение:

ν = νэл. ± νкол. ± νвращ., где νэл., νкол. и νвращ. есть частоты чисто электронного, колебательного и враща тельного переходов. Возбуждение электронов сопровождается, следовательно, колебательными и вращательными переходами, так что поглощение, возника ющее первоначально в виде линии, переходит в широкую полосу с тонкой коле бательной и вращательной структурой, как это видно на рис. 3.10. В результате взаимодействия между растворенными молекулами и молекулами растворителя тонкая структура обычно стирается, постепенно исчезая, так что в конце кон цов приходится наблюдать просто гладкую линию. В газообразной фазе, в непо лярных растворителях, а также при некоторых других ситуациях (например, у бензола с полосой около 255 нм) иногда можно обнаружить тонкую колебатель ную структуру. Следовательно, электронному переходу, который в случае атомов приводит к поглощению практически монохроматического света, у молекул соответствует целая система колебательных полос, которые, в свою очередь, опятьтаки имеют тонкую структуру из тесно прилегающих друг к другу вращательных линий. В то время как при получении производной аналогового сигнала привлека ется постоянная времени устройства и нет собственно прямой производной по длине волны (изза чего возможны проблемы при смене ламп и фильтров), при вычислительных способах производной спектрометрии этого не случается. Кро ме прочего, здесь достигается еще и то преимущество, что необработанные ис ходные данные всегда сохраняются на случай возможных в дальнейшем иных подходах к оценке. Поскольку в математическом плане каждая производная ук ладывается в последовательность точек, смысл производных высшего порядка

3.6. Определение концентрации по окраске

85

до сих пор удавалось показать только на примере некоторых производных с по рядком выше второго.

3.6. Определение концентрации по окраске Естественно, не все молекулы поглощают в УФобласти спектра. Окрашенные вещества поглощают в видимой области, то есть энергия имеет здесь более узкие интервалы. В случае органических молекул ответственность за это несут так на зываемые хромофорные группы, состоящие из сопряженных двойных связей. Чем длиннее сопряженные цепочки, тем больше поглощение сдвигается в сторону видимой области. С другой стороны, комплексные соединения переходных ме таллов показывают характеристические поглощения в видимой области (цвет) через электронные переходы с нижнего на верхний вырожденный энергетичес кий уровень. Видимая для человеческого глаза часть излучения включает в себя световые волны длиной от 400 до 800 нм. Глаз не в состоянии разложить полихромный свет на его составляющие. Воспринимается только один цвет, возникающий в резуль тате сложения всех попадающих в глаз световых лучей. Если спектральный состав дневного света не изменяется, то он воспринимается как белый. И только когда часть спектра гасится при поглощении, создается цветное зрительное впечатле ние дополнительно к поглощенному цвету спектра. Òàáëèöà 3.4. Èíòåðâàëû äëèí âîëí â âèäèìîé ÷àñòè èçëó÷åíèÿ è ñîîòâåòñòâóþùàÿ öâåòî÷óâñòâèòåëüíîñòü ÷åëîâå÷åñêîãî ãëàçà Èíòåðâàëû äëèí âîëí â âèäèìîé ÷àñòè èçëó÷åíèÿ, íì

Öâåòî÷óâñòâèòåëüíîñòü ÷åëîâå÷åñêîãî ãëàçà

400–435

ôèîëåòîâûé

435–480

ñèíèé

480–500

ñèíå-çåëåíûé

500–560

çåëåíûé

560–580

æåëòî-çåëåíûé

580–595

æåëòûé

595–610

îðàíæåâûé

610–750

êðàñíûé

Волны в разных областях этого интервала формируют в глазу совершенно оп ределенные цветоощущения (см. табл. 3.4). Вещество, поглощающее, например, в синей области спектра, покажется глазу в желтом цвете. Смесь световых волн всех длин наблюдатель воспринимает как бесцветную. Цветными предметы будут казаться, когда они поглощают волны определенных длин и отражают весь остальной спектр (табл. 3.5). Если в видимой области воз никает несколько полос поглощения, то о простом составе уже говорить не при ходится, и цвет вещества порой лишь с трудом удается предугадать по спектру поглощения. Если раствор какогото вещества имеет зеленую окраску, то он поглощает свет из красной и синей областей спектра. Для достижения максимально возможной

86

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Òàáëèöà 3.5. Ñâÿçü ìåæäó öâåòîì îáúåêòà, ïîãëîùåííîé èì îáëàñòè öâåòíîñòè è èíòåðâàëàìè äëèí âîëí â âèäèìîé ÷àñòè èçëó÷åíèÿ Èíòåðâàë äëèí âîëí â âèäèìîé ÷àñòè èçëó÷åíèÿ, íì

Öâåò îáúåêòà (îòðàæåííàÿ îáúåêòîì îáëàñòü öâåòíîñòè)

Ïîãëîùåííàÿ îáúåêòîì îáëàñòü öâåòíîñòè

400–435

ôèîëåòîâûé

æåëòî-çåëåíûé

435–480

ñèíèé

æåëòûé

480–500

ñèíå-çåëåíûé

îðàíæåâûé

500–560

çåëåíûé

êðàñíî-ôèîëåòîâûé

560–580

æåëòî-çåëåíûé

ôèîëåòîâûé

580–595

æåëòûé

ñèíèé

595–610

îðàíæåâûé

ñèíå-çåëåíûé

610–750

êðàñíî-ôèîëåòîâûé

çåëåíûé

чувствительности фотометрического определения концентрации измерение це лесообразно проводят при той длине волны, при которой поглощение особенно велико. Подходящую длину волны устанавливают следующими способами: • пользуются предписаниями по проведению фотометрического определе ния концентрации или • регистрируют весь спектр раствора, определяя по нему максимум погло щения. Бесцветные вещества не поглощают свет из видимой части электромагнитно го спектра, но большинство материалов поглощают свет в не видимой для чело веческого глаза ультрафиолетовой области. Способы измерения при этом иден тичны.

3.7. Многокомпонентный анализ Если в одной пробе содержится несколько веществ, спектры которых накладыва ются друг на друга, значит, придется иметь дело с так называемым «факторным анализом». При многокомпонентном анализе предполагается, что линейность закона Ламберта – Бера выполнена для всех компонентов и что никакие взаимо действия не нарушат существующую аддитивность [3.2]. Цель такого анализа состоит в измерении концентраций по суммарным спек трам на основе содержаний отдельных компонентов в смесях. Каждый спектр ре конструируется посредством линейной комбинации значимых факторов, причем соответствующие значимости служат в качестве коэффициентов. Тогда можно с помощью множественнолинейной регрессии установить корреляции между зна чимостями факторов и измеренными величинами экстинкций. В качестве при мера на рис. 3.11 представлены индивидуальные спектры витаминов В1, В6 и В12 и полученный суммарный спектр. Допустим, для n компонентов в пробе надо измерить оптическую плотность при n разных длинах волн. При двухкомпонентном анализе было бы вполне дос таточно измерения при двух длинах волн. Оптические плотности формируются тогда следующим образом:

Оптическая плотность

3.7. Многокомпонентный анализ

Витамин В6

87

Стандарты витаминов

Витамин В1

Витамин В12

Оптическая плотность

Длина волны, нм Трехвитаминная смесь

Длина волны, нм

Рис. 3.11. Индивидуальные спектры трех витаминов и результирующий суммарный спектр

Е (λ1) = α (А,1) СА + α (В,1) СВ Е (λ2) = α (А,2) СА + α (В,2) СВ Это означает, что оптическая плотность при длине волны λ1, Е (λ1), складыва ется из фактора α (А,1), умноженного на концентрацию вещества А, СА, плюс фак тора α (В,1), умноженного на концентрацию вещества В, СВ. Соответствующим образом получают и оптическую плотность при длине волны λ2. Данные факторы должны быть сначала определены на основе спектров отдельных компонентов. При смеси из двух компонентов имеем тогда два уравнения с двумя неизвестны ми, СА и СВ, решаемые математическим путем. При n компонентах используют соответственно n уравнений, то есть n значений оптической плотности при n раз ных длинах волн, чтобы определить все концентрации отдельных компонентов. На первый взгляд, проведение такого факторного анализа кажется довольно рискованным делом. До некоторой степени это верно, поскольку именно калиб ровка, как при любом количественном анализе, требует здесь особой тщательно сти. С другой стороны, этот анализ чрезвычайно прост и в большинстве случаев занимает гораздо меньше времени, чем альтернативные методы. Более совершен ные спектрометры располагают для этой цели соответствующим программным обеспечением, что значительно облегчает проведение факторного анализа благо даря управлению через меню.

88

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

3.8. Измерение по принципу двойной длины волн1 В 1951 г. Чанс предложил новый метод измерения мутных проб в биохимическом анализе – измерение по принципу двойной длины волн [3.3]. Хотя этот метод используется в первую очередь для быстрого и точного измерения небольших из менений поглощения при двух установленных длинах волн в мутных суспензиях, он годится и для измерений в прозрачных растворах. При этом не следует путать «двойную длину волн» с «двойным лучом», при котором измерения поглощения проводятся при двух длинах волн для определения концентрации с помощью си мультанных уравнений. При измерении по принципу двойной длины волн свет посредством двух моно хроматоров с дифракционной решеткой разлагается в два луча. Исходящие от двух решеток лучистые потоки с разной длиной волны претерпевают под действием вра щающегося секторного зеркала сдвиг во времени и последовательно друг за другом проходят через одну и ту же ячейку с раствором пробы. Измеряется разность погло щений ∆А между длинами волн λ1 и λ2. Таким способом удается точно измерить даже очень малое изменение поглощения пробы при использовании полной шкалы. Из рис. 3.12 видно, что детектор, синхронизированный с частотой вращаю щегося секторного зеркала, принимает, всегда попеременно, λ1 и λ2. При этом сигнал λ1 есть опорный сигнал, а λ2 – собственно сигнал исследуемой пробы. Ис пользуя все возможности электронных способов, можно растянуть шкалу погло щения в 100 раз. Благодаря этому обстоятельству данный метод особенно благо приятен для измерений совсем небольших количеств вещества, а также для на блюдения субстанций в области минимальной поглощающей способности. При традиционной фотометрии полное поглощение А пробы измеряется обыч но при длине волны λ путем сравнения со стандартной пробой, как показано на рис. 3.13. Если же раствор пробы содержит еще и другой фон, вызванный помут нением или взаимно влияющими друг на друга компонентами, то определение искомых веществ уже не возможно. Собственно измерения полного поглощения для количественного определения тех или иных компонентов не требуется. По

Источник света

Дифракци' онная решетка 1

Вращающееся секторное зеркало

Детектор

Дифракци' онная решетка 2

Кювета

Рис. 3.12. Измерение по принципу двойной длины волн 1

В русскоязычной литературе называется способом двух длин волн. – Прим. ред.

3.8. Измерение по принципу двойной длины волн

89

Оптическая плотность

Базовая линия Длина волны

Рис. 3.13. Традиционное измерение поглощения

этому в фотометрии по принципу двойной длины волн измеряется разность по глощений ∆А между двумя длина волн λ1 и λ2, так что никакой стандартный ра створ здесь не нужен. Важнейшим необходимым условием для этого является ли нейность или пропорциональность между измеренными сигналами и концентра цией искомых компонентов. Таким способом удается путем выбора подходящей комбинации из двух длин волн устранить многие виды фоновых помех. Как видно из рис. 3.14, при методе двойной длины волн используется только одна измерительная ячейка. Благодаря этому полностью исключается множество так или иначе связанных с ячейками ошибок и погрешностей – например, веро ятность отклонения от заданного положения или от константы ячейки и появле ния различий между раствором пробы и стандартным раствором (по мутности, концентрации и проч.). В результате того, что проба сама используется в качестве стандартного раствора, при спектроскопии по принципу двойной длины волн сокращаются до минимума проблемы, вызываемые рассеянием, неравными дли нами волн и разными концентрациями реагентов. В случае пробы со сравнительно сильным поглощением и четко выраженным рассеянием удается обнаружить даже ничтожно малые изменения в поглощении. Тогда Оптическая плотность

Базовая линия

Длина волны

Рис. 3.14. Измерение поглощения по методу двойной длины волн

90

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра Оптическая плотность

Длина волны

Рис. 3.15. Отбор λ1 и λ2 по эквиабсорбционному методу. Компонент В имеет при обеих длинах волн одинаковую оптическую плотность

можно обойтись без разбавлений и фильтраций, обычно требуемых для подготовки проб при традиционной фотометрии. Путем сканирования (растрирования) двой ных длин волн с близкими значениями λ1 и λ2 получаются производные спектры. При измерении двойной длины волн можно легко и точно, без всяких вычис лений, анализировать многокомпонентные системы одновременно – посредством эквиабсорбционного метода. Так, на основе содержащей вещества А и В двухком понентной пробы измеряются оптические плотности при λ1 и λ2 с получением разностной оптической плотности: Е (λ1) – Е (λ2) = ∆Е = α (А,1) СА + α (В,1) СВ – α (А,2) СА + α (В,2) СВ. Если второй компонент В при обеих длинах волн λ1 и λ2 показывает такое же поглощение, то есть ЕВ (λ1) – ЕВ (λ2) = 0, то уравнение упрощается и принимает вид: ∆Е = α (А,1) СА – α (А,2) СА. Поскольку разностная оптическая плотность ∆Е теперь уже не зависит от кон центрации компонента В, то концентрацию компонента А можно определить не зависимо от концентрации компонента В. Такой эквиабсорбционный метод пред ставлен на рис. 3.15. Если не удается найти две подходящие длины волны, при которых оптичес кие плотности не анализируемой компоненты В равны, можно воспользоваться методом усиления сигнала, когда разные величины оптической плотности ком поненты В компенсируются электронным способом в самом устройстве.

3.9. Разностные спектры В случае дифференциальной спектроскопии сравниваются в ходе измеряемых и эталонных лучей два раствора, каждый из которых содержит компоненты, вызы вающие основное поглощение, причем раствор в ходе измеряемых лучей допол нительно еще содержит собственно пробу [3.4]. Здесь следует напомнить о том,

3.10. Производные спектры

91

что при образовании разности двух достаточно сильных поглощений ни в коем случае не устраняются проблемы, связанные с паразитным излучением. Высокое самопоглощение растворителя снижает интенсивность I0, которую приходится компенсировать до появления шумов путем соответствующего усиления на де текторе.

3.10. Производные спектры

Оптическая плотность

В производной спектроскопии представлены три разных метода, при которых или оптическим путем, или через аналоговый сигнал, или посредством прямой ком пьютерной обработки преобразованного в цифровую форму аналогового сигнала формируется производная [3.5]. Так как при оптических способах всегда можно получить только первую производную, на данный момент обсуждению подлежат лишь аналогоэлектронные и цифровычислительные способы. Но в любом слу чае следует помнить о том, что производная сигнала не повышает уровень инфор мативности, но лишь максимально уточняет уже полученные ранее результаты [3.6]. Эти возможности используются, например, при перекрывающих друг друга пиках или при незначительных изменениях сигналов на весьма слабо изогнутых кривых. Рисунок 3.16 показывает, например, эталонный спектр и первую произ водную этого спектра.

Производная 1'го порядка

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Рис. 3.16. Эталонный спектр и его первая производная

92

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

3.11. Требования к современному спектрометру При проведении типовых лабораторных анализов, например для определения кон центрации или контроля чистоты, выбирается преимущественно спектроскопия УФ/видимой области, позволяющая получить простым и быстрым способом точ ные результаты исследования. Рутинная аналитика означает регулярное использо вание определенного метода анализа, причем, как правило, с большим количеством разных проб. В настоящее время отмечается бесспорная тенденция к созданию ус ловий по доставке аналитического прибора к исследуемой пробе, а не пробы к при бору. В качестве ключевого понятия здесь выступает термин «децентрализация». Достаточно простые анализы проводятся прямо на рабочем месте, то есть непос редственно на производстве, а не транспортируются в центральную лабораторию. Понятно, что это экономит и время, и деньги. В свою очередь, центральная анали тическая лаборатория разгружается от примитивной повседневной работы и может эффективнее использоваться для решения более сложных задач. Основной предпосылкой правильного фотометрического измерения можно счи тать наличие надежной высококачественной оптики. Соответствующие характе ристические параметры, как то: малый рассеянный свет, высокая фотометрическая точность и хорошая долговременная стабильность, – могут быть просто позаим ствованы из спецификаций оборудования. Знание этих данных позволяет сделать правильный выбор в пользу тех или иных фотометров от разных изготовителей [3.7]. Не менее важное значение имеет также наиболее подходящая для поставлен ной аналитической задачи реализация метода и, наконец, простота и надежность проведения анализа. Это возможно лишь при условии, что процесс определения будет недвусмысленным и ясным, с четкой идентификацией образцов и нагляд ным представлением результатов. Все больше возрастает сегодня роль таких фак торов, как удобство обслуживания и правильная расшифровка полученных дан ных [3.8]. Выбор оптимальной длины волны для количественного определения осуществляется в современных спектрометрах с программным управлением. Из спектров стандартов, а также репрезентативных проб с матрицей выбирается длина волны, дающая наилучшие результаты с точки зрения линейности, точности, из бирательности и воспроизводимости [3.9]. В каждодневной работе аналитической лаборатории применяются обычно самые разные фотометрические методы, которые могут различаться на уровне длин волн, некоторых факторов, а иногда и других параметров. Современные устрой ства с микропроцессорным управлением либо работающие в сочетании с ПК дают возможность сохранения отдельных методов измерения на любой по длительнос ти срок. При необходимости можно запросить из памяти ПК тот или иной метод и немедленно начать процесс измерения – без новой установки соответствующих параметров [3.10]. Само собой разумеется, что предварительно придется потру диться над созданием наиболее подходящих методов анализа для решения конк ретных аналитических задач. Собственно анализ проводится достаточно быстро и не требует какихлибо спе циальных знаний. Но определенная квалификация нужна, в частности, специали стам, занятым разработкой перспективных методов, составлением и проверкой

3.11. Требования к современному спектрометру

93

Оптическая плотность

надежности градуировочных графиков. При этом иногда оказывается весьма по лезным обеспечение надежной защиты в отношении программы, метода и функ ции калибровки во избежание возможного некомпетентного вмешательства. Со здатель того или иного метода может тогда передать «закрытый» в электронном смысле прибор менее опытному коллеге, которому тогда останется только запра шивать нужные методы и запускать их в дело. Для этого достаточно вставить кюве ту в фотометр и нажать пусковую клавишу. Подобные анализы можно проводить вдали от центральной лаборатории и без текущего специализированного контроля. Наряду с нормальной регистрацией спектра рекомендуется осуществлять и циклическое снятие спектра со свободно выбираемыми интервалами – для на блюдения за изменениями спектра во времени. Представление производных спек тров с помощью современных спектрометров не составляет проблемы. Для кине тических исследований предлагается регистрация оптической плотности во вре мени при выбранной измеряемой длине волны. Программирование длин волн дает возможность проводить измерения пробы при многих длинах волн. Соответству ющая программа для длин волн находит применение, например, при контроле степени чистоты веществ и материалов. Концентрационные измерения занимают в рутинной аналитике одно из важ нейших мест. На основе оптических плотностей и относящихся к ним стандарт ных концентраций прибор выполняет необходимые вычисления и составляет со ответствующий градуировочный график. Для более сложных измерений, то есть в случае мутных проб и сложных смесей, существуют разные, иногда достаточно дорогостоящие, способы измерений, целесообразно реализуемые с помощью ком пьютеризованных программ расшифровки. Простейшую интерпретацию обеспечивает анализ на основе одной длины вол ны, причем оптическая плотность обычно измеряется в максимуме спектра с пос ледующим вычислением концентрации. Если требуется определить какоето ве щество при наличии фона, то должна быть проведена коррекция базовой линии. В зависимости от положения последней может быть выбран метод двойной или тройной длины волн. В то время как при измерении по принципу двойной длины волны базовая линия проходит параллельно оси абсцисс, при измерении с тройной длиной волны производится коррекция базы по прямой между двумя опорными длинами волн λ1 и λ3, слева и справа от измеряемой длины волны. Из рис. 3.17 вид но, что при этом возможна не горизонтальная коррекция базовой линии.

Базовая линия

Рис. 3.17. Принцип анализа с тройной длиной волны

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Оптическая плотность

94

Базовая линия

Оптическая плотность

Рис. 3.18. Определение концентрации по площади

Вторая производная

Рис. 3.19. Определение концентрации по высоте h между двумя экстремумами вто рой производной

Особый способ определения концентрации представлен на рис. 3.18, где кон центрация вычисляется по площади полос поглощения. С этой целью регистри руется спектр образца. Прибор интегрирует площадь полос между двумя опреде ляемыми длинами волн λ1 и λ2, вычисляя отсюда концентрацию. Такой способ хорошо зарекомендовал себя прежде всего в отношении проб, резкий максимум которых может сдвигаться под действием эффектов растворителя. Вторая производная спектра есть испытанный метод количественного опре деления веществ в сложных матрицах (см. рис. 3.19). Здесь используется то обсто ятельство, что расстояние между соседними максимумом и минимумом пропор ционально концентрации вещества. Такой метод успешно применяют, в частно сти, при измерении концентрации в мутных пробах и в многокомпонентных сис темах. Эта вторая производная не зависит от фоновой оптической плотности, так что с помощью данного метода достигается точное определение концентрации даже при комплексных матричных эффектах.

3.12. Диодные матрицы в спектроскопии УФ( и видимой областей Повышенные требования к разрешению, как и возрастающий интерес к измере ниям в относительно широком интервале длин волн, послужили толчком к со вершенствованию конструктивных исполнений и появлению новых концепций

3.12. Диодные матрицы в спектроскопии УФ и видимой областей

95

при разработке спектрометров. Создание спектрального фотометра с диодной мат рицей стало безусловным прогрессом в области современной инструментальной аналитики. По сравнению с традиционными спектральными фотометрами с их последовательной регистрацией спектральных данных, с помощью приборов с диодной матрицей удается получить полный спектр одновременно при всех дли нах волн. С этой целью проба просвечивается лампами с непрерывным распреде лением энергии, после чего свет спектрально разлагается в монохроматоре с диф ракционной решеткой и проецируется на уложенные в ряд фотодиоды. Одновре менно регистрируемые при этом спектральные данные сохраняются в памяти ЭВМ и затем последовательно считываются в виде спектра с выводом на экран ПК или графопостроитель [3.11]. Очевидным преимуществом для пользователя является при этом высокий темп получения результатов: регистрация полного спектра при длине волн 190–800 нм длится всего 0,1 секунды. Целый ряд несомненных достоинств по сравнению с традиционными приборами способствовал в конечном счете тому, что теперь ус тройства с диодной матрицей в большинстве случаев не только успешно заме няют общепринятое оборудование, но и во многом превосходят его. Как в лабораторной диагностике, так и в области контроля качества попре жнему широко практикуется спектроскопия УФ и видимой областей как один из наиболее быстрых методов. В связи с заметным улучшением характеристик исполь зуемой при этом оптики развернулась дискуссия на тему большей либо меньшей пригодности одно или двухлучевых способов. В итоге рынок ограничился неболь шим числом обладающих более качественной оптикой двухлучевых спектромет ров. Но одновременно популярность в области стандартных измерений начали за воевывать и доступные по цене компьютеризованные однолучевые приборы. Диодные матрицы благодаря их быстродействию стали конкурентоспособны сначала только в области лабораторных химикоаналитических исследований. Но в целом их разрешение по длинам волн считалось не особенно хорошим, а фото метрическая линейность, в частности в УФобласти, недостаточно убедительной. Это, безусловно, связано и с тем, что на первых порах диодные матрицы как оп тоэлектронные конструкционные элементы разрабатывались в меньшей степени спектроскопистами, а в большей – инженерами полупроводниковых технологий. Когда же оказалось, что они особенно подходят для решения проблем в хромато графии и их внедрение открывает совершенно новые возможности расшифровки результатов измерений, к ним стал проявлять повышенный интерес рынок обо рудования для спектроскопии в УФ и видимой областях [3.12]. Первоначально все преимущества новой техники по причине высокой стоимо сти приборов использовались относительно небольшим числом специализирован ных лабораторий. С течением времени обнаружилось, что диодные матрицы могут находить применение не только в традиционных целях: открылось множество спе циальных областей, реализуемых исключительно на основе быстрого обнаружения с привлечением миниатюризованных элементов диодной матрицы. В результате сопряжения со световодами (оптическими волноводами) они – после успешных испытаний в области лаковых покрытий – стали интересны и для многих других специальных отраслей. Такой успех привел даже к тому, что со

96

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

световодами начали соединять обычные спектрометры последовательного дей ствия, которые благодаря этому стали конкурировать с диодными матрицами, особенно в сфере измерений в отраженном свете. Так как при обработке полученных спектральных данных никак не обойтись без ЭВМ, здесь активно использовались достижения другой области аналитики. Программное обеспечение позволяет внедрить множество прогрессивных спосо бов, в том числе для проведения многокомпонентного анализа, оценки произ водных, сравнения и вычитания спектров, вычисления отношений, составления смешанных спектров и обработки статистических данных. Повышенные требо вания к «хорошей лабораторной практике» и ужесточение законодательных ак тов в области контроля продукции, например в фармацевтической промышлен ности, в немалой степени способствовали тому, что давно известные способы ста тистической обработки результатов анализа внезапно приобрели огромную по пулярность и широкое распространение. Сегодня приборы с диодной матрицей от разных изготовителей предлагаются по цене, вполне сравнимой со стоимостью традиционного оборудования. Рынок насыщен компьютеризованными однолучевыми спектрометрами для самых раз ных областей применения, равно как и регистрирующими двухлучевыми устрой ствами и диодными матрицами различного качества и назначения. При этом, на ряду с лабораторной аналитикой и клинической диагностикой, возрастает и зна чение диодных матриц, в частности в сфере хроматографии, проверки качества, контроля процесса и в еще довольно молодой области – сенсорике [3.13].

3.12.1. Традиционный спектрофотометр Начиная с применения в области колориметрии несколько десятилетий назад, спектрометры видимой и УФобластей спектра в виде как однолучевых, так и ре гистрирующих двухлучевых приборов в течение многих лет заполняли широкий и разнообразный рынок специального оборудования. На рис. 3.20 представлена в упрощенном виде конструктивная схема оптической системы обычного однолуче вого спектрофотометра, у которого полихромный свет источника излучения (дей

Проба Щель Монохроматор

Детектор

Источник света

Рис. 3.20. Упрощенная схема оптической системы традиционного однолучевого спектрального фотометра

3.12. Диодные матрицы в спектроскопии УФ и видимой областей

97

териевая или галогенная лампа с вольфрамовой нитью) фокусируется на входную щель монохроматора (призма или дифракционная решетка). Из монохроматора свет выходит с соответственно узкой полосой, определяемой шириной щели. Оптичес кая плотность пробы устанавливается на основе измеренных интенсивностей све та – без пробы и с пробой в ходе лучей. Такое конструкционное исполнение хорошо подходит для измерения опти ческой плотности при постоянной длине волны. На практике же часто требуется измерять разные пробы при различных длинах волн либо регистрировать спект ры этих проб. При обычных спектрофотометрах изменение длины волн достига ется путем вращения диспергирующего элемента в монохроматоре. Тем самым значительно усложняется вся конструкция, ибо воспроизводимость механичес кой перестановки непосредственно ограничивает воспроизводимость длины вол ны. Следует еще добавить, что подобная последовательная форма сбора и обра ботки данных представляет собой довольно длительный процесс.

3.12.2. Спектрофотометры с диодной матрицей Диодная матрица состоит из ряда фотодиодов, размещенных бок о бок на крем ниевом кристалле. Такого рода матрица, в зависимости от конструктивного ис полнения, содержит, например, 328, 512 или 1024 фотодиодов, обеспечивающих спектральное разрешение от 1 до 2 нм. Вследствие этого спектральная информа ция одновременно попадает на приемнорегистрирующее устройство и подлежит затем последовательному считыванию. Здесь необходимо делать различие между двумя периодами времени. Прежде всего, требуется определенное число фотонов для генерации минимального сиг нала на фотодиоде. В этом случае, с учетом интенсивности падающего света, вре мя может измеряться наносекундами (если используется лазер) либо миллисе кундами (при более слабых источниках излучения). От указанного периода сле дует отделять время, необходимое для считывания информации из электронных схем, включенных параллельно фотодиодам. В зависимости от используемого метода, это время составляет от 10 до 50 миллисекунд на полную строку. Технология создания диодных матриц близка к производству схем со сверх высокой степенью интеграции. Диодные матрицы обладают сложной конструк цией, но при этом весьма надежны, поскольку речь идет о твердотельных струк турах. Светочувствительная площадь составляет около 18 × 0,5 мм, причем интер вал между отдельными фотодиодами равен примерно 25 мкм. Кремниевые диоды демонстрируют высокую стабильность при постоянной температуре, поэтому большинство диодных фотометров весьма просты в изготовлении и оснащены од нолучевой оптикой. Рисунок 3.21 показывает в упрощенном варианте оптическую систему спект рофотометра с диодной матрицей. Весь свет проходит через пробу и фокусирует ся на входной щели полихроматора. Диспергирующий элемент вызывает спект ральное разложение света, но, в отличие от монохроматора, выходная щель здесь отсутствует. Вместо этого диодная матрица таким образом позиционируется в спек трально разложенном свете, что этот свет перекрывает всю спектральную область.

98

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Монохроматор Проба

Диодная матрица Источник света

Рис. 3.21. Упрощенное представление оптической системы спектрофотометра с диодной матрицей

При этом к каждому диоду отнесена определенная узкая область спектра. Далее, ширина полосы на каждый диод есть функция размера входной щели и диспер сии полихроматора, а также ширины отдельного диода. Роль выходной щели в монохроматоре здесь берет на себя геометрия каждого отдельного диода. В отли чие от традиционных спектрофотометров, проба и диспергирующий элемент в ходе лучей меняются местами, в связи с чем такую конструкцию нередко называ ют инверсной оптикой.

3.12.3. Преимущества технологии диодных матриц Устройства с диодной матрицей обладают фундаментальными, обусловленными конструктивными особенностями, достоинствами, создающими множество не сомненных удобств для пользователя. Быстрота обработки данных есть, вероят но, самый известный признак этой технологии. Простота конструкционного ис полнения гарантирует высокую надежность, а стационарная оптическая система обеспечивает выдающуюся воспроизводимость длин волн и, следовательно, вы сокую точность количественного измерения по всей ширине спектра.

3.12.3.1. Однолучевые приборы Высокоэффективные спектрофотометры традиционно исполняются, с учетом лучшей стойкости к дрейфу, в виде двухлучевых устройств. Однако со временем, в силу достигнутого за прошедшие годы прогресса в области лампового производ ства и электроники, все больший интерес стали вызывать также однолучевые при боры, которые по стойкости к дрейфу лишь немного не дотягивали до двухлуче вых исполнений, но зато имели преимущества более высокого светопропускания и более простой конструкции. Спектрофотометры с диодной матрицей вообще очень удобны для однолучевых конфигураций, поскольку здесь отмечается чрез вычайно быстрая регистрация спектров и сокращение до минимума временного интервала между эталонным измерением и измерением пробы. Поэтому колеб лющиеся температуры окружающей среды, отрицательно сказывающиеся на си стемной устойчивости кремниевых диодов, здесь себя почти никак не проявляют.

3.12. Диодные матрицы в спектроскопии УФ и видимой областей

99

Фотодиодная матрица

Кювета Дифракци' онная решетка

Щель

Лампа Линза Фото' затвор Линза

Галогенная лампа Дейтериевая лампа

Эталонная кювета Эллиптическое зеркало

Отклоняющее зеркало

Отклоняющее зеркало

Щель Диодная матрица Кювета с пробой Щель Голографическая решетка

Подвижное отклоняющее зеркало

Рис. 3.22. Оптическая система однолучевого (вверху) и двухлучевого (внизу) спек трометра с диодной матрицей

На рис. 3.22 представлена конструктивная схема оптической системы спектро метра с диодной матрицей в одно и двухлучевом исполнениях. При измерении веществ в УФ и видимой областях спектра фотоны измери тельного света содержат большое количество энергии. Если интенсивность этого излучения слишком высока, то в случае не устойчивых к фотоэффектам веществ может наступить соответствующая фотореакция. В то время как при традицион ной спектроскопии на пробу приходится лишь незначительная часть интенсив ности измеряемого света, при технологии с диодной матрицей ход лучей состоит одновременно из всех длин волн. Это способно привести к достаточно высоким интенсивностям облучения, распределенным по всей спектральной области, так что не исключены соответствующие фотохимические реакции. Воспрепятство вать этому поможет затвор, благодаря которому проба подвергается световому воздействию лишь в течение совсем короткого времени.

100

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

3.12.3.2. Экспрессная регистрация спектральных данных Спектры в интервале длин волн от 190 до 820 нм снимаются за десятые доли се кунды. На обработку и сохранение спектра потребуется менее половины секун ды. Такая ускоренная регистрация данных как безусловно самое известное свой ство спектрофотометров является особым преимуществом в тех случаях, когда осуществляются измерения с несколькими длинами волн и работа ведется с боль шим количеством проб. Принимая во внимание экспрессную запись данных, спек трофотометры с диодной матрицей предпочитаются также при проведении изме рений в динамических системах – например, в жидкостной хроматографии, в об ласти контроля процессов и кинетических исследований. Кстати, для жидкостной хроматографии разработаны специальные, оптимизированные для данного кон кретного применения, детекторы с диодной матрицей, обладающие очень корот кими циклами измерения и особыми ячейками с прокачкой.

3.12.3.3. Одновременное измерение спектра Во многих областях применения требуются измерения при нескольких длинах волн. Известно, что с обычными спектрофотометрами тоже можно проводить подобные измерения, правда, это происходит последовательно и длится очень долго. А вот устройство с диодной матрицей обеспечивает одновременное изме рение при всех длинах волн. Это позволяет прибегать к специальным мерам в целях улучшения качества аналитических результатов. Измерение относитель но «внутреннего стандарта» применяют с расчетом на уменьшение погрешно стей, вызванных колебаниями интенсивности света в результате нестабильно сти лампы либо ее смещения. При таком методе определяется некая стандарт ная длина волны, как можно более близкая к аналитической длине волны, но при условии отсутствия там поглощения. Величины измерения при этой стан дартной длине волны вычитаются затем из величин измерения аналитической длины волны. Так как при этом обе длины волн измеряются одновременно, удается благодаря упомянутому внутреннему стандарту снизить дрейф почти наполовину, сделав его сравнимым с дрейфом прибора в двухлучевом испол нении.

3.12.3.4. Воспроизводимость длин волн Понятия правильности длин волн и воспроизводимости часто толкуются не со всем верно. Правильность длин волн необходима, когда сравниваются друг с дру гом измерения, выполняемые на разных приборах. У большинства количествен ных анализов в УФ и видимой областях спектра, при которых измерения прово дятся с применением стандартов на одном и том же устройстве, правильность длин волн особой роли не играет. В случае обычных спектрофотометров механическо го действия воспроизводимость длин волн есть погрешность, все возрастающая в процессе эксплуатации по мере механического износа оборудования. Поскольку у спектрофотометров с диодной матрицей конструкционным элементам в целях изменения длины волны нет нужды совершать какие бы то ни было движения, то и описанных выше проблем здесь не возникает.

3.12. Диодные матрицы в спектроскопии УФ и видимой областей

101

3.12.3.5. Диапазон измерений Обусловленное высокой воспроизводимостью длин волн, главное преимущество технологии на основе диодных матриц заключается в том, что отличные результа ты можно получать и на краю полосы поглощения. Следовательно, если в силу концентрационных условий поглощение на уровне резкого максимума приходится на место, где точные измерения уже практически невозможны, то приблизиться к ним все же удается путем простого переключения на другую длину волны, при которой поглощение меньше. В случае традиционного оборудования, не способ ного обеспечить прецизионные измерения по краям полосы поглощения, требу ется промежуточный этап для разбавления пробы, вследствие чего, вопервых, теряется время и, вовторых, не исключено появление разного рода неопределен ностей. Посредством вычислительной обработки нелинейных градуировочных графи ков диапазон измерения при необходимости удается расширить и до более высо ких значений оптической плотности. Но он может быть распространен также в сторону более низких величин оптической плотности, так как оптическая систе ма здесь несколько проще: она включает в себя меньшее число конструкционных элементов, поэтому светопропускание в данном случае будет выше, а фон ниже. Быструю одновременную регистрацию спектральных данных предлагается исполь зовать в целях дальнейшего снижения фона. Благодаря короткому времени изме рения можно регистрировать спектр несколько раз с выводом среднего значения (см. табл. 3.6). Общую продолжительность процесса измерения при регистрации спектра обозначают также как время интегрирования. В результате усреднения данных измерения стандартное отклонение для среднего значения уменьшается на корень квадратный из числа точек (например, при четырехкратном числе из мерений фон снижается наполовину). В случае традиционных спектрофотомет ров такой способ с учетом длительного времени регистрации спектров нельзя на звать практичным решением. Òàáëèöà 3.6. Ñðàâíèòåëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðàñõîäà âðåìåíè íà ïîñëåäîâàòåëüíóþ è îäíîâðåìåííóþ ðåãèñòðàöèè ñïåêòðîâ ×óâñòâèòåëüíîñòü

Äëèòåëüíîñòü ðåãèñòðàöèè îáû÷íûì ñïîñîáîì

ñ äèîäíîé ìàòðèöåé

1,000

30 c

0,1 ñ

4,000

8 ìèí

1,6 ñ

16,000

2 ÷àñà 8 ìèí

25,6 ñ

3.12.3.6. Статистика данных измерения Хотя с помощью спектрофотометра с диодной матрицей спектр может быть из мерен всего за 0,1 секунды, время интегрирования нередко выбирается в диапа зоне от 0,5 до 1 секунды, поэтому результаты определяются на основе пяти – де сяти отдельных измерений. При этом, наряду с вычислением среднего значения для каждой длины волны, вычисляется еще и его стандартное отклонение как мера надежности измеренных величин при каждой отдельной длине волны. Стандарт

102

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

ные отклонения такого рода, как правило, не измеряются обычным спектромет ром, хотя бы в силу больших затрат времени на эту операцию. Статистические данные помогают выявить явно плохие показатели. При исполь зовании ячеек с прокачкой удается, например, обнаружить проходящие через ячейку пузырьки воздуха. Такие воздушные пузырьки вызывают кратковременное измене ние оптической плотности, что в случае многократных измерений, выполняемых этим прибором, выражается через соответственно высокое стандартное отклонение.

3.13. Сопряжение со световодами С помощью световодов свет доставляется прямо на место проведения измерения, а оттуда направляется к детектору. Это позволяет обойтись без традиционных опе раций: заполнения кюветы пробой и размещения ее в специальной камере спек трометра. Сочетание световодов со спектрометрами УФ и видимой областей дает своеобразную «портативную» кювету, позволяющую проводить измерения на ана лизируемой пробе либо прямо в ней. Необходимая для этой цели измерительная головка, призванная максимально точно выполнять функцию кюветы, называет ся погружным зондом, или оптодом (оптическим электродом). Понятно, что при таком способе работы значительно сокращаются затраты на взятие проб, их подготовку и доставку. При оптимальном использовании свето водов в сочетании со спектрометрами основные оптические спецификации систе мы измерения, как то: фотометрическая точность, шумы фона и разрешение, – максимально приближаются к характеристикам основного прибора. Применение световодов послужило толчком к внедрению ряда инноваций, прежде всего в об ласти техники связи, где за последние годы произошли колоссальные изменения. Это касается как предлагаемых новых материалов для оптических волноводов, так и технологий в сфере телекоммуникаций и обработки данных. Благодаря та кому прогрессу появились условия для новых трендов в сфере создания оборудо вания для инструментальной аналитики. Интегрирование моноволокон и жгутов оптических волокон с совершенно новыми оптическими системами либо их адаптация к уже существующим спект рометрам открыли перед аналитиками широкие возможности исследования об разцов за пределами спектрального прибора. При способе измерения непосред ственно в исследуемом материале были в значительной степени удовлетворены запросы пользователей в отношении измерительных систем, работающих в ре жиме реального времени либо по принципу встроенных блоков [3.14].

3.13.1. Теоретические основы функционирования световодов Элементарный модуль – оптическое волокно – состоит из волоконного ядра с высоким преломлением и оболочки с низким преломлением. Предлагаемые рын ком моноволокна обладают диаметром от 70 до 100 мкм. В сочетании со спектро метрами УФ и видимой областей используются, как правило, жгуты световоло кон, у которых диаметр и входная поверхность подгоняются под геометрию пучка соответствующего прибора. Материал волоконного ядра является определяющим

3.13. Сопряжение со световодами

103

Оптический волновод в продольном разрезе

Рис. 3.23. К теории световодов

для характеристики пропускания световода, а разница в преломлениях обуслав ливает так называемую числовую апертуру, или апертурное число NA. Этот важ нейший характеристический показатель определен как: NA = n1 ⋅ sinθ = n32 − n22 ,

где n1 – показатель преломления окружающей среды, n2 – показатель преломле ния оболочки, n3 – показатель преломления ядра, θ – угол падения относительно оптической оси. Принцип передачи света по световоду в оптическом волокне наглядно ото бражен на рис. 3.23. Изза разницы в показателях преломления свет проходит че рез стекловолокно по зигзагообразной траектории. Он вводится в стекловолокно из источника излучения с оптикой. Числовая апертура является поэтому важной характеристикой, поскольку она показывает предельный угол, при котором лу чистый поток еще попадает в световод для последующей передачи. По причине дисперсии материалов ядра и оболочки числовая апертура зависит от длины вол ны. В составленном изготовителем техническом паспорте на оптические волокна обязательно указываются важнейшие характеристики изделия: диаметр волокна, оптическая прозрачность и числовая апертура. Благодаря вспомогательным оп тическим элементам (например, линзам, оптимизированным с расчетом на апер турное число световодов) удается значительно улучшить выход энергии. Оптические волноводы предлагаются из разных материалов: кварца, стекла либо на полимерной основе. Два последних исполнения годятся, конечно, толь ко для видимой области спектра. При нынешнем уровне техники свет в кварце вых проводах с малым затуханием передается на многие сотни метров. Правда, и кварцевые световоды имеют в области 200 нм неблагоприятные кривые пропус кания, так что предел обнаружения в этой области оставляет желать лучшего. Не только характеристика пропускания материала световода, но и полезный диапа зон длин волн для всей системы также зависит от спецификаций основного при бора, например от его отношения сигнал/шум, от эффективности корректора ба зовой линии и возможностей ослабления опорного пучка.

3.13.2. Применение световодной системы С помощью соединенного со спектрометром оптического электрода можно про водить измерения прямо на месте – без взятия пробы, что было бы связано с по

104

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Спектрометр

Световод

Оптод Оптические окна Камера образца с переходным устройством

Толщина слоя

Отражатель

Рис. 3.24. Принцип действия оптического электрода (оптода)

терей времени и появлением тех или иных погрешностей. Устройства, рассчитан ные на УФ и видимую области спектра и располагающие обычной камерой об разца, через специальное переходное устройство соединяются с погружным зон дом, как это показано на рис. 3.24 [3.15]. При этом получают аналитические сис темы для измерений в режиме реального времени, полезный интервал длин волн которых зависит прежде всего от характеристики пропускания световодных ма териалов. При проведении измерения необходимо следить за тем, чтобы, вопер вых, погружение оптода проходило без воздушных пузырьков и, вовторых, не было рассеянного света [3.16]. Преимущества сопряженных со световодами спектроскопических измеритель ных систем, по сравнению с традиционными исполнениями, состоят в возмож ности исследования без разрушения образцов, в режиме реального времени, без какойлибо дополнительной подготовки. Итак, основные достоинства описан ных систем: • контроль оптической плотности или пропускания в аналитике химических процессов (нанесение гальванических покрытий, исследование сточных вод) в режиме реального времени, • недеструкционные исследования твердых образцов (лаки, биоматериалы) за пределами камеры, • регистрация оптической плотности в биоферментах в качестве дополни тельного измеряемого параметра и • надежное определение радиоактивных элементов вне горячих зон взятия проб. Спектроскопия УФ и видимой областей осуществлялась ранее исключи тельно в абсорбционных и флуоресцентных системах. Путем сопряжения свето водов с диодными матрицами были получены новые устройства, позволяющие проводить измерения также и в отраженном свете. На рис. 3.25 представлены возможные при таком сочетании схемы диодной матрицы в абсорбционной, флу оресцентной и отражательной спектроскопии, причем последняя предлагает чрезвычайно широкую область применения. Наибольший интерес проявляется здесь прежде всего в области исследования твердых образцов (особенно при на

3.14. Экспресстесты при исследовании воды

105

Проба

Поглощение Источник излучения Спектрометр УФ/видимой областей Флуоресценция

Отражение

Рис. 3.25. Схематическое представление процесса измерения при поглощении, флуоресценции и отражении в сочетании со световодами

личии тонких слоев), а также тонких жидкостных пленок. При этом отраженное на граничных поверхностях этих слоев частичное излучение приводит к интер ференциям, дающим информацию о физической толщине слоя и оптических свойствах тонких слоев. В результате мультиплетного отражения на границе фазы, на основе конструктивных и деструктивных интерференций, формирует ся интерферограмма. По положению экстремальных значений в интерферен ционном спектре достигается весьма чувствительное вычисление оптической ха рактеристики или толщины слоя. Такой принцип используется в области про изводства пленок для контроля технологического процесса в реальном масшта бе времени. В спектроскопии с нарушенным полным отражением последнее наступает с определенного предельного угла при переходе излучения от оптически более плот ной к оптически менее плотной среде, которую излучение уже более не покидает. Такой эффект находит применение и в случае погружных зондов. Благодаря это му удается получить хорошие результаты даже в очень сильно поглощающих ра створах с оптодами из стекла с высоким показателем преломления [3.17].

3.14. Экспресс(тесты при исследовании воды Во многих производственных отраслях для управления и наблюдения за процес сами требуется разнообразная и максимально полная информация, что служит гарантией обеспечения постоянно высокого качества продукции. Все более жес ткие законодательные акты требуют наличия значительно более точных и более разнообразных аналитических методов исследования. В стремительно расширя ющейся сфере аналитики объектов окружающей среды, которой придается все большее значение на фоне непрерывно ужесточающихся экологических требова ний и строгих норм утилизации бытовых и промышленных отходов, объем про

106

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

водимых исследований растет как снежный ком. Очевидно, что это связано с весь ма существенными затратами и средств, и времени. При этом полученные результаты должны быть надежными и недвусмыслен ными, и их следует без проволочек передавать производственникам с целью при нятия срочных и адекватных мер. С учетом огромного числа требуемых анализов представляется немаловажным удерживать стоимость их проведения в определен ных рамках. В такой ситуации ускоренные способы на основе готовых продуктов все чаще дополняют собой менее подверженные воздействию помех, но более зат ратные методы по нормам ДИН. Специально для проведения анализов воды ры нок предлагает огромный выбор самых разных приборов и методов [3.18], так что разброс цен здесь чрезвычайно велик. Готовые тесты очень просты и удобны в обращении и дают быстрый результат. Простота таких методов позволяет рабо тать с ними даже сотрудникам без большого опыта лабораторной практики. С одной стороны, аналитика проникает в пока еще малодоступную сферу оп ределения следовых количеств благодаря внедрению усовершенствованных хро матографических, спектрофотометрических и электрохимических способов; с другой стороны, обработка множества аналитических данных в разных местах требует создания ориентированных на практические условия аналитических сис тем. Они должны помочь любому заинтересованному пользователю – при разум ном соотношении цены и качества – успешно применять точные и селективные методы анализа. Ускоренные фотометрические способы позволяют проводить надежные определения с меньшим аппаратным оснащением, чем это требует, на пример, разделение по методу хроматографии. Правда, в первом случае, учиты вая трудоемкую пробоподготовку, приходится считаться с более высокой стоимо стью расходных материалов и более значительными затратами труда. С другой стороны, фотометрические способы вполне годятся благодаря использованию фотометров с батарейным питанием для проведения анализов прямо на рабочем месте [3.19]. В типовой аналитической лаборатории наиболее часто требуемые параметры лучше всего определять с помощью полностью механизированных лабораторных автоматов. Для этой цели промышленность предлагает отличное оборудование с набором соответствующих реагентов. Подлежащие определению следы (либо не желательных загрязнений в матрице, либо полезных добавок) требуют специаль ных методов анализа. Одним из наиболее популярных способов в рамках анали тического определения следовых количеств считается концентрирование и изо лирование следовых элементов и их последующая идентификация фотометричес ким методом. Для выполнения того и другого этапов данного способа предлагаются органи ческие реагенты, образующие с определяемыми веществами интенсивно окрашен ные комплексы. На высокой селективности и очень большой чувствительности, отличающих данные реагенты, основаны многочисленные фотометрические мето ды анализа. Для таких случаев промышленность предлагает различные варианты быстрого определения следов веществ в водных растворах: это могут быть тесты в кюветах и специальные наборы для ферментативных и фотометрических тестов в сочетании с переносными ручными аналитическими устройствами. В водонепро

3.14. Экспресстесты при исследовании воды

107

Молярный вес: 278,36

Рис. 3.26. Формула строения купризона

ницаемом исполнении и при наличии батарейного питания такое оборудование вполне пригодно для использования даже в полевых условиях.

3.14.1. Пример: фотометрическое определение следов меди Из многочисленных комплексообразователей для катионов и анионов, более или менее селективных для одного вида ионов, возьмем для примера фотометрическое определение следов меди. Бисциклогексилиденгидразид щавелевой кислоты с три виальным названием «купризон» (см. структурную формулу на рис. 3.26) есть очень чувствительный реагент высокого избирательного действия, широко используемый для фотометрического определения малых содержаний меди. Речь идет о почти бе лом или, скорее, о сероватожелтом порошке, не растворимом в воде и эфире, трудно растворимом в метаноле и этаноле, но растворимом в бензоле и хлороформе. Куп ризон образует с ионами меди в щелочном растворе водорастворимый голубой ком плекс, максимум поглощения которого приходится на 595 нм. На процесс определения никак не влияет железо и одновременное присут ствие большинства содержащихся в стали металлов – марганца, ванадия, титана, молибдена, вольфрама, ниобия, тантала, а также хрома в шестивалентном состо янии. Трехвалентный хром является помехой и поэтому должен быть окислен пу тем добавления хлорной кислоты к хрому (VI). Лишь большие количества кобальта и никеля способны помешать успешному определению. Среди анионов нитрат, сульфат, хлорид, фосфат и перхлорат никакого воздействия не оказывают.

3.14.2. Стержневые индикаторы Это самый простой и дешевый способ полуколичественного определения ионов и разных других веществ. Так называемые «индикаторные палочки», как и известная индикаторная бумага для определения величины рН, состоят из пластмассовых полосок, на одном конце которых предусмотрена контрольная зона, пропитанная реагентами, буферными растворами и другими необходимыми добавками. Это тес товое поле гарантирует безупречное сравнение с такой же величины полями на цвет ной шкале, прилагаемой к поставляемым стержневым индикаторам такого типа. Концентрированные растворы разбавляются до тех пор, пока интенсивность окраски индикаторной бумаги в области измерения не будет однозначно класси

108

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Реакционную зону стержня на 1 секунду погрузить в водную пробу

Сравнить цвет реакционной зоны с цветной шкалой и считать измеренное значение

Рис. 3.27. Полуколичественный анализ с применением стержневых индикаторов

фицирована. Соответствующий коэффициент разбавления включается в опреде ление содержания. Цветная шкала имеет в большинстве случаев от 5 до 7 града ций цвета, поэтому возможен лишь полуколичественный результат, как это вид но на рис. 3.27. При некоторых испытаниях зона реакции под действием того или иного реагента уже интенсивно окрашена. Репрезентативное окрашивание уста навливается поэтому только после проведения реакции согласно руководству по пользованию. Стержневые индикаторы позволяют проведение неразрушающих испытаний, когда из большого числа образцов выбираются те, которые затем подлежат коли чественному определению с применением более чувствительного, например фо тометрического, метода. Такие индикаторы обладают селективностью в отношении определенного иона или соединения. Значимые помехи со стороны примесных ионов проявляются в отклонении окраски контрольной зоны от цвета цветной шкалы. Изготовитель обычно дает необходимые сведения касательно воздействия других катионов и анионов и рекомендации по устранению возможных помех.

3.14.3. Комплекты для сравнительных экспресс*тестов (колориметрия) Часто возникает необходимость в проведении экспресстестов в среднем диа пазоне чувствительности на основе колориметрии, используемой также и при исследовании окрашенных или замутненных вод. При колориметрических спо собах к пробе добавляется один или несколько реагентов, вступающих с опре деляемым веществом в селективную цветовую реакцию. В зависимости от со держания подлежащего определению вещества в составе, раствор окрашивается с разной степенью интенсивности. Полученный цвет сравнивается с заданным цветным стандартом, к которому отнесены соответствующие концентрацион ные показатели. Данные стандарты входят в комплект для сравнительных тес тов и предлагаются в форме специальных цветовых таблиц либо так называе мых компараторов.

3.14. Экспресстесты при исследовании воды

109

Слева направо: взять водную пробу, залить ее в компаратор, добавить жидкий реагент, закрыть и перемешать, по истечении времени реакции считать результат

Рис. 3.28. Колориметрический анализ с использованием комплекта для сравнитель ных испытаний

А: цветовой компаратор, В: кювета с пробой и реагентом, С: проба без реагента

Рис. 3.29. Компенсационный принцип

Прилагаемая цветовая карта отличается большими и хорошо различимыми градациями цвета. После добавления предусмотренных реагентов измерение про водится таким образом, что компаратор удерживается против света на уровне глаз, и цвет испытуемого раствора соотносится с эталонным цветом. Для облегчения считывания можно закрыть соседние поля шаблоном, как показано на рис. 3.28. Исследуемые пробы воды в большинстве своем прозрачны либо только слег ка окрашены или замутнены, так что анализ можно проводить без какойлибо дополнительной подготовки. При достаточно сильном замутнении подлежащей исследованию воды придется либо дождаться осаждения большей части мути, либо подвергнуть пробу фильтрации. При слишком интенсивном окрашивании пробы прибегают к компенсаци онному принципу, изображенному на рис. 3.29. При этом окрашенная водная проба обрабатывается с точным соблюдением указаний в руководстве по пользо ванию. Для сравнения цвета наполняют компенсационную кювету исследуемым веществом без добавления каких бы то ни было реагентов и помещают ее позади

110

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

цветового стандарта компаратора. Таким образом, при сравнении цвета компен сируется с обеих сторон собственная окраска раствора. Однако следует заметить, что этот способ все же имеет свои ограничения, если мы имеем дело с очень интенсивной собственной окраской наряду с ничтожно малым содержанием исследуемого вещества. Тогда слабый цвет реакции будет перекрыт окраской пробы. Кроме того, может так случиться, что собственный цвет водной пробы изменится под воздействием добавленных реагентов (напри мер, в результате смещений величины рН при определенных реагентах). Это яв ление почти всегда выражается в том, что уже невозможно соотнести цвет раство ра с цветовым стандартом.

3.14.4. Малогабаритные фотометры с готовыми программами Применение экспрессных тестметодов в сочетании с фотометром представляется весьма практичным и эффективным вариантом исследования качества и состава воды. Прогресс в развитии микропроцессорной техники позволяет постепенно уменьшать размеры фотометров с одновременным повышением их эффективнос ти. Стандартные способы, повсеместно используемые при многочисленных иссле дованиях водных проб, теперь могут храниться в памяти ПК, что помогает намного ускорить освоение оборудования и принципы работы с ним [3.20]. Рассматриваемая аналитическая система состоит из фотометра, набора гото вых к употреблению реагентов плюс комплекта разнообразного оборудования и необходимых принадлежностей – от пипеток до защитных очков. Инструкции по эксплуатации фотометров содержат, наряду с указаниями по пользованию при бором, точное руководство по проведению каждого конкретного анализа и массу дополнительных практических рекомендаций. Столь тщательно продуманная си стема позволяет проведение разного рода аналитических операций – даже в ла бораториях, не располагающих достаточным штатом квалифицированных сотруд ников, и предназначена не только для проведения анализов питьевой воды, сточ ных бытовых и производственных отходов, но и для исследования почв и промы того шлама [3.21]. В области аналитического исследования воды известно четыре основных ис точника возможных погрешностей: фотометры, реагенты, анализатор (человек) и проба либо ее матрица. Впрочем проистекающие из этих источников погреш ности удалось свести к минимуму благодаря внедрению упомянутого выше комп лектного оборудования. Применение круглых кювет способствовало популяри зации фотометрических методов анализа при исследованиях воды. Одновремен но прогрессировало развитие достаточно эффективных, работающих независимо от сети, фильтрующих фотометров, позволяющих не только проводить измере ния оптической плотности, но и с помощью функций программирования напря мую определять состав пробы воды без дополнительной калибровки. Новинкой на рынке стала техника программирования с применением программных карт в сочетании с малогабаритными фотометрами. После ввода данных касательно предстоящего анализа фотометр автомати чески выполняет необходимую для их расшифровки настройку прибора и произ

3.14. Экспресстесты при исследовании воды

111

водит все относящиеся сюда расчеты. Далее устройство извлекает из программ ного обеспечения характеристики калибровки, диапазон измерения, возможное нулевое решение (да/нет), автоматически устанавливает требуемую измеритель ную длину волны и, наконец, вычисляет результат анализа в мг/л. В этом плане наиболее приемлемыми по цене являются фильтровые фото метры, в которых за счет монтажа определенных оптических фильтров в ходе лу чей между излучателем с непрерывным распределением энергии (галогенная или дейтериевая лампа) и кюветой пропускается только одна единственная длина вол ны. Существуют оптические фильтры, например, для длин волн 254, 365, 385, 405, 446, 470, 495, 525, 550, 565, 585, 635, 660 и 690 нм. Наряду с использованием стандартных прямоугольных кювет размером 10, 20 и 50 мм, здесь находят применение также круглые кюветы в отдельной приемной камере, что дает следующие преимущества: как только такая круглая кювета по мещается в предназначенную для нее камеру, она автоматически поворачивается и регистрирует десять величин измерения. Далее, при наличии программы для сглаживания выбросов (с формированием среднего значения из 10 измеренных величин) определяется окончательный результат с высокой точностью измере ния. Коэффициент вариации метода есть важнейший статистический параметр, дающий информацию о функциональной точности аналитической системы.

3.14.5. Метод опорного пучка Малогабаритные фотометры с вогнутой дифракционной решеткой в качестве монохроматора выполнены как однолучевые устройства со всеми характерными для них погрешностями, связанными, например, со старением ламп, колебаниями на пряжения, прожиганиями и проч. С помощью метода опорного пучка (см. рис. 3.30) удается в той или иной степени компенсировать погрешности такого рода. Основ ным компонентом такой оптики с расщепленным пучком (splitbeam) является дели тель пучка, или светоделитель, отделяющий какоето количество света от исходного

Индикатор

Источник излучения

Микропроцессор

Эталонный элемент

Линза Кюветная камера Детектор

Дифракционная решетка

Делитель для для пучка прямо' круглых угольных кювет кювет

Рис. 3.30. Оптическая схема системы с опорным пучком

112

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

светового луча. Эта часть энергии лампы направляется на детектор (эталонный эле мент), в то время как основной объем излучения подается на пробу. Таким способом распознаются возможные изменения интенсивности источника света и затем ком пенсируются посредством соответствующей электроники. Тем самым обеспечивает ся стабильность двухлучевого прибора, а интенсивность направленного на пробу лу чистого потока почти достигает таковой у однолучевого устройства [3.22].

3.15. Резюме и перспективы развития спектроскопии УФ( и видимой областей Спектроскопия УФ и видимой областей стремительно развивалась в последние десятилетия, достигнув уровня стандартного лабораторного метода, предназна ченного, в частности, для проведения количественных анализов, и считается се годня одним из самых быстрых приемов аналитического исследования. На фоне отмечаемого в последние годы прогресса произошло значительное усовершенство вание оборудования коммерческого назначения, что сделало его максимально удобным для пользователя. Поскольку пробы измеряются почти исключительно в разбавленном растворе, их подготовку можно назвать минимальной. Вода, про зрачная в интересующем диапазоне длин волн от 190 до 800 нм, является в этом смысле практически идеальным растворителем, обеспечивая чрезвычайно широ кую область применения в самых разных отраслях. Весьма сильны позиции спектроскопии УФ и видимой области именно в количественной аналитике – фотометрии. Анализы, проводимые в реальном мас штабе времени при использовании кювет с прокачкой, и интегральные анализы с оптическими электродами весьма просты в исполнении. Оснащенные микропро цессорами фотометры в сочетании с готовыми наборами реагентов служат осно вой для простых и быстрых способов анализа – без общепринятого лабораторно го комплекта для аналитических исследований. Такая методика, усиленная уст ройствами на батарейном питании, находит широкое применение также в сфере набирающей популярность аналитики непосредственно на рабочем месте. Ком пьютеризованные спектрометры позволяют реализовать даже программы расшиф ровки с линейной и нелинейной коррекцией базовой линии в целях определения концентраций даже в очень сложных матрицах. Регистрация спектра УФ и видимой областей происходит очень быстро, а вот результаты качественного анализа, то есть сведения о том, какое вещество в дан ный момент исследуется, создают, в отличие от ИКспектроскопии, значитель ные трудности, поскольку полученные спектры лишь в редких случаях являются характеристическими для исследуемого соединения. Отрицательно сказывается тот факт, что существует целый ряд соединений, например парафины, которые в УФобласти спектра до длины волны 190 нм не обнаруживают характеристичес ких поглощений. С другой стороны, имеется слишком много факторов, так или иначе воздействующих на УФ/видимую область спектра. Хромофоры – группи ровки, вызывающие избирательное поглощение электромагнитных колебаний в УФобласти, не столь легко поддаются идентификации на основе простых пра

3.15. Резюме и перспективы развития спектроскопии УФ и видимой областей

113

вил или методов. В принципе УФ и видимая области спектра дают тем больше информации, чем «сложнее» структура исследуемого вещества. Спектр со многи ми полосами, простирающийся вплоть до видимой области, показывает, напри мер, наличие длинного сопряженного хромофора либо полициклического аро матического хромофора. В то же время соединение только с одной полосой или меньшим их количеством при длине волны ниже 300 нм предположительно со держит всего два или три сопряженных структурных элемента. В соответствии с установленными требованиями предлагаемый модельный ряд приборов включает в себя от вполне доступных по цене малогабаритных фото метров до обладающих высоким разрешением двухлучевых устройств с достаточ но дорогостоящей оптической системой. Среди традиционного оборудования различают одно и двухлучевые спектрометры. При этом однолучевые исполне ния требуют меньшего числа оптических компонентов и механических узлов (де литель пучка и зеркало). Поэтому с точки зрения цены они значительно благо приятнее и отличаются пониженным износом. Правда, здесь не исключены про блемы в отношении стабильности ламп и усилительной электроники. Высокоэффективные спектрометры последовательного действия предлагаются в виде двухлучевого исполнения, что позволяет заметно улучшить ситуацию с дол говременной стабильностью ламп, детектора и электроники. Но с учетом гораздо более сложного хода лучей и при наличии деления пучка приходится использовать более интенсивные лампы и более дорогие оптические компоненты – для достиже ния сигнала такой же силы, что и в случае однолучевых приборов. Тем не менее последовательные двухлучевые устройства продолжают утверждать себя в сфе ре проведения специальных исследований, например, в случае сложных много компонентных анализов. Благодаря возможности любого изменения ширины щели, регулирования ослабления, усиления и скорости регистрации, а также весь ма благоприятному отношению сигнал/шум данная измерительная техника все активнее используется для самых изысканных спектроскопических исследований. Но при этом скорость подачи ограничивается примерно 2400 нм в минуту с уче том длительности цикла между измеряемым и эталонным лучами. Спектральное разрешение будет тем хуже, чем больше становится разность длин волн между двумя ходами лучей. Если у традиционных приборов длина волны последовательно проходит че рез пробу по ширине спектральной полосы, заданной выходной щелью монохро матора, и затем измеряется детектором, то у мультиплексных устройств наблюда ется сразу весь спектр. При этом диодные матрицы должны отличаться от прибо ров, функционирующих по принципу Фурьепреобразования. У диодных матриц 512 либо 1024 отдельных фотодиодов размещены рядом в одной ячейке. Свет от монохроматора веерообразным пучком падает на диодную ячейку, после чего каждый отдельный фотодиод может быть отнесен к определен ной длине волны или, соответственно, к узкому интервалу длин волн. В результа те этого спектральная информация одновременно попадает на детектор, правда, затем она считывается опять последовательно. В силу значительного удешевле ния диодных матриц они все чаще стали вытеснять стандартные приборы после довательного действия.

114

Глава 3. Спектроскопия в УФ и видимой областях спектра

Благодаря диодным матрицам в последние годы на рынке появились новые системы, у которых оптические пути между отдельными компонентами и прием ником шунтируются световодами, что позволяет получить удобные модульные конструкции. Тогда становится возможным также измерение в отраженном све те, что вызывает большой интерес, прежде всего в области исследования твердых образцов (особенно в случае тонких слоев) или жидкостных пленок с малой тол щиной слоя. При этом отдельные лучи, отраженные на поверхностях раздела этих слоев, приводят к интерференциям, из которых черпается информация о физи ческой толщине слоя и оптических свойствах тонких слоев. Разработки на основе диодных матриц дают толчок к увеличению числа диодов с меньшим темновым током и лучшей динамикой сигналов при более низком пре деле их обнаружения. Время измерения и считывания значительно сократилось. Оптические многоканальные системы представляют собой высококачественные диодные матрицы с высокой чувствительностью и хорошим временным разреше нием, причем для кинетических измерений возможно разрешение до наносекунд ного диапазона. Кроме того, ожидается расширение области спектра дальше дли ны волны 1100 нм в ближней ИК. Это можно только приветствовать, поскольку здесь предполагаются интересные применения, в частности в сфере производства продуктов питания. Устройства, действующие по принципу преобразования Фурье, открывают дальнейшие перспективы применения мультиплексных методов. Принцип Фу рьепреобразования успешно развивается в ИКспектроскопии, а вот в УФ и ви димой областях спектра предлагаются пока лишь дополнительные устройства, функционирующие преимущественно в ближней ИК. В спектрометрах задействованы микропроцессоры для задач управления, сбора и обработки данных. В современные спектрометры обязательно встроен микро процессор для выполнения функций управления. Кроме прочего, следует разли чать устройства с внутренним блоком обработки данных, включая монитор, и ус тройства, снабженные присоединением для внешнего вычислительного блока. Но при этом необходимо позаботиться о том, чтобы передача информации между спектрометром и управляющей вычислительной машиной не оказалась крити ческой по времени. Эта проблема возникает, в первую очередь, в случае спектро метров с диодной матрицей, так как у этих приборов при быстром чередовании спектров, например в процессе обработки кинетических данных, вся информа ция в течение миллисекунд должна быть передана на диодную ячейку. Способы расшифровки результатов на уровне многокомпонентного анализа или кинетических алгоритмов довольно медленно внедряются в спектроскопию УФ и видимой областей. Благодаря использованию диодных матриц с чрезвы чайно эффективными вычислительными машинами или терминалами обработки данных алгоритмам интерпретации спектров практически нет предела. При мно гокомпонентном анализе на основе калибровочных спектров осуществляется вы числительным путем количественное определение долей отдельных компонен тов в смеси. Возможны также более скрупулезные расчеты и моделирования. Диффузная спектроскопия в отраженном свете находит применение при анали зах в тонкослойной хроматографии. Направленное отражение приобретает все

3.15. Резюме и перспективы развития спектроскопии УФ и видимой областей

115

большее значение в области исследования качества поверхности и процессов коррозии. Терминалы обработки данных готовы к созданию значительно более совер шенной среды пользователя и большего числа алгоритмов расшифровки резуль татов. Хотя спектроскопия УФ и видимой областей предлагает – по сравнению с ИКспектроскопией – меньше информации на уровне специфичности молекул, тем не менее и в этой области спектра можно ожидать появления алгоритмов по иска, разработанных для библиотек спектров и банков данных. Несмотря на все описанные выше прогрессивные тенденции, остается бес спорным тот факт, что возможности использования спектрометра с точки зрения анализа результатов и введения их в банки данных обусловлены производитель ностью применяемых вычислительных машин и их программного обеспечения, а качество спектрометра определяется его оптикой. Это означает, что изготовитель должен предлагать оборудование и с хорошим качеством оптики, и с самой со временной цифровой электроникой.

ÃËÀÂÀ 4 ÔËÓÎÐÎÌÅÒÐÈß Когда биологи и химики впервые попытались использовать феномен флуорес ценции, им пришлось сильно разочароваться, поскольку оказалось, что одни ве щества флуоресцировали очень слабо либо делали это только в специальных ра створах, а другие решительно отвергали излучение любого света, какие бы усилия для этого ни прилагались. К счастью, со временем, в ходе проводимых в этой об ласти экспериментов, обнаружилась весьма специфическая связь с окружающей средой: было установлено, что в случае люминесценции речь идет о своего роде зонде, который, будучи направлен на микроскопический мир молекул и клеток, сигнализирует о тончайших изменениях в своем окружении. Поляризация, тем пература, время жизни и квантовый выход есть изменяемые величины в уравне нии флуоресценции. Каждый из этих параметров требует своего собственного способа рассмотрения, причем необходим также и особый вид спектральных флу орометров, чтобы привести к общему знаменателю все эти столь разные показа тели.

4.1. Теоретические основы люминесценции Любое горячее тело посылает тепловое излучение, обусловленное энергией дви жения атомов и молекул. В отличие от этого, люминесценцией называют такое излучение, которое вещества испускают после предварительного возбуждения без всякой помощи тепловой энергии. Следовательно, о люминесценции можно го ворить, когда какиелибо вещества светятся при обычной температуре среды, при чем подобное излучение вызывается не температурой излучающего тела. Здесь также не исключен вариант, что возбужденная молекула безызлучательно переда ет свою энергию другим молекулам, которые затем испускают свет. В зависимос ти от того или иного механизма возбуждения возможны разные виды люминес ценции (см. табл. 4.1). Хемилюминесценция есть излучение света в результате химической реакции, чаще всего окисления. Молекула возбуждается, то есть она поглощает энергию. При отдаче этой энергии она либо светится сама, либо передает свою энергию другой молекуле, которая затем излучает свет. Хемилюминесценция генерирует ся синтетическими химикатами. Типичными люминогенами являются, например, акридиновый эфир, люминол, люкугенин и лофин. Биолюминесценция есть осо бая форма хемилюминесценции в живых организмах вроде бактерий и светящих ся насекомых. Для биолюминесценции требуются энзимы (например, люцифе разы) и субстраты (например, люциферины) [4.1]. У фотолюминесценции различают – в зависимости от продолжительности про цесса излучения – флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция возникает, когда участвующие возбужденные состояния имеют в качестве исходной точки для

4.1. Теоретические основы люминесценции

117

Òàáëèöà 4.1. Ðàçíûå âèäû ëþìèíåñöåíöèè Âèä ëþìèíåñöåíöèè

Ìåõàíèçì âîçáóæäåíèÿ

Ïðèìåð

Ðàäèîëþìèíåñöåíöèÿ

Âîçäåéñòâèå âûñîêîýíåðãåòè÷åñêèõ ÷àñòèö èëè ãàììà-èçëó÷åíèå ðàäèîàêòèâíûõ ïðîöåññîâ

Ñàìîñâåòÿùèåñÿ öèôðû íà öèôåðáëàòå ÷àñîâ

Ýëåêòðîëþìèíåñöåíöèÿ

Âîçäåéñòâèå ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé

Ñâå÷åíèå ãàçîðàçðÿäíûõ ëàìï

Õåìèëþìèíåñöåíöèÿ

Èçëó÷åíèå, âîçáóæäåííîå õèìè÷åñêèìè ðåàêöèÿìè (ïî÷òè èñêëþ÷èòåëüíî ýêçîòåðìè÷åñêèìè)

Îêèñëåíèå áåëîãî ôîñôîðà íà âîçäóõå

Áèîëþìèíåñöåíöèÿ

Õèìèêî-áèîëîãè÷åñêèå ïðîöåññû

Ñâåòÿùèåñÿ ðûáû, æó÷êè, áàêòåðèè

Òðèáîëþìèíåñöåíöèÿ

Ìåõàíè÷åñêîå âîçäåéñòâèå

Ðàñòèðàíèå èëè ðàçáèâêà êðèñòàëëîâ ñàõàðà

Êðèñòàëëîëþìèíåñöåíöèÿ

Êðèñòàëëèçàöèÿ

Îêèñëû ìûøüÿêà

Ôîòîëþìèíåñöåíöèÿ

Ïîãëîùåíèå ñâåòà ÓÔ/âèäèìîé èëè ÈÊ-îáëàñòè ñïåêòðà

Ôëóîðåñöåíöèÿ è ôîñôîðåñöåíöèÿ

фотоэмиссии среднее время жизни порядка 10–8 с; фосфоресценция имеет место, когда это время составляет более 10–3 с. В последнем случае не редкостью считается и средняя продолжительность от несколько секунд до нескольких часов. Рассмотрим подробнее эти два явления и их использование в измерительной технике. УФ и видимая области спектра являются важнейшими для флуоромет рии. Оптическая флуорометрия, именуемая также флуоресцентной спектроско пией, ограничивается, следовательно, интервалом длин волн примерно от 200 до 2000 нм. Поглощение излучения в этом диапазоне поднимает электроны с самой внешней электронной оболочки (валентные электроны) на более высокий, воз бужденный энергетический уровень. Эту подведенную энергию молекулы могут вновь отдавать посредством безызлучательной дезактивации, разложения, реак ций или посылки света. Итак, флуорометрия – это эмиссионная спектроскопия, которая находит при менение как в качественной, так и в количественной аналитике. При известных компонентах можно по уровню сигнала сделать заключение об их концентрации, неизвестные же вещества идентифицируются путем сравнения спектров. При большом числе химических соединений флуоресценция вообще не обнаружи вается. Поглощенная энергия в большинстве случаев вновь отдается путем безызлу чательной дезактивации, причем следует делать различие между межмолекуляр ными и внутримолекулярными процессами. К внутримолекулярным процессам относят столкновения второго рода, при которых энергия возбуждения при со ударении с другими молекулами принимается ими в виде кинетической или ко лебательной энергии («тушение флуоресценции»). Представляется, что дезакти вация вообще не флуоресцирующих веществ должна осуществляться на основе так называемых предиссоциационных процессов. Это возможно, поскольку энер гия возбуждения достигает величин энергии разрыва соответствующей связи.

118

Глава 4. Флуорометрия

Итак, фотолюминесценция наступает только у органических соединений, содер жащих электроны πсвязей. В силу характеристических свойств электронов πсвязей эти соединения не требуют большой энергии для оптического возбуждения, но имеют, с другой сто роны, столь стабильную систему связи, что не диссоциируют в условиях возбуж дения. При значительно большем числе флуоресцирующих органических веществ речь идет об изо и гетероциклических соединениях с ароматическими система ми связи. Почти все ароматические углеводороды отличаются сильной флуорес центной способностью, которая, однако, нередко значительно снижается в ре зультате ввода заместителей. В частности, заместители нитро, карбонокислот ной, SHгрупп и родственные им почти полностью «тушат» флуоресценцию аро матических углеводородов. Наряду с короткоживущей флуоресценцией со средней продолжительностью затухания 10–8 с, у многих органических соединений обнаруживается излучение с продолжительностью затухания в несколько секунд. Для такого почти произвольно возникающего разделения существует точное физическое обоснование. Большая разница во времени жизни объясняется тем, что в случае флуоресценции речь идет о синглетсинглетных, а в случае фосфоресценции – о триплетсинглетных пере ходах. Фосфоресценция связана с долгоживущим метастабильным состоянием, достигаемым безызлучательно после возбуждения из первичного возбужденного состояния.

4.2. Флуоресценция При комнатной температуре большинство молекул находится на низшем колеба тельном уровне основного состояния S0. В результате поглощения энергии моле кулы могут достигать либо первого возбужденного состояния S1, либо второго воз бужденного состояния S2. При нормальных «разрешенных» поглощениях, время перехода у которых составляет всего 10–15 с, вероятность излучательного перехода столь велика, что среднее время жизни этих возбужденных состояний находится в диапазоне от 10–9 до 10–8 с. Если переход осуществляется из возбужденного состояния А* в основное со стояние А в результате того, что энергия возбуждения ∆Е отдается в обращении абсорбционного процесса путем излучения света относящейся сюда частоты v, то можно говорить о флуоресценции: A* → A + h ⋅ ν. С принятием во внимание исключительно электронного возбуждения можно было ожидать, что длина волны флуоресценции точно совпадает с длиной волны поглощения, как это бывает при эмиссии возбужденных атомов (резонансная флуоресценция). Однако в экспериментах с флуоресценцией молекул наблюдают обычно длинноволновое смещение относительно абсорбции, происходящее с уча стием атомных колебаний (правило Стокса).

4.2. Флуоресценция

119

Колебательные уровни 2'го возбужденного состояния

Безызлучательные переходы Колебательные уровни 1'го возбужденного состояния

Флуоресценция Поглощение Колебательные уровни основного состояния

Рис. 4.1. Энергетические состояния при абсорбции света и флуоресцентной эмиссии

В результате возбуждения молекула может достигать любого из колебатель ных уровней, которые следует воспринимать как подуровни отдельных возбуж денных состояний. После того как молекула поглотит энергию и достигнет одно го из верхних колебательных уровней возбужденного состояния, она вследствие соударений очень быстро теряет избыток колебательной энергии и вновь падает на низший колебательный уровень возбужденного состояния (рис. 4.1). Дополнительно почти у всех молекул, населяющих состояние выше состоя ния второго рода, осуществляются внутренние переходы из нижних колебатель ных уровней более высокого возбужденного состояния на обладающие близкой энергией более высокие колебательные уровни более низкого возбужденного со стояния. Здесь молекулы вновь теряют колебательную энергию вследствие соуда рений, пока не достигнут низшего колебательного уровня первого возбужденно го состояния. Такое внутреннее преобразование осуществляется безызлучатель но, продолжительность этих внутренних переходов составляет около 10–12 с. После такой безызлучательной дезактивации молекула при переходе из пер вого возбужденного состояния на один из колебательных уровней основного со стояния может отдавать высвобождающуюся энергию в форме света. Наблюдает ся флуоресцентное излучение, смещенное относительно поглощения к более длин ным волнам, то есть к «красной» области спектра, и, следовательно, к меньшей энергии. Никакого сдвига к красному не происходит при «резонансной флуорес ценции», например в случае атомов. У атомов не может быть распределения энер гии на другие степени свободы, допустим, на колебания. Так как энергетические интервалы между колебательными уровнями при элек тронновозбужденных состояниях являются часто энергетическими интервала ми между более низкими электронными уровнями, то это приводит к образова нию симметричных спектров для поглощения и эмиссионного излучения соеди нения. Переход из низшего колебательного уровня основного состояния на низ ший колебательный уровень первого возбужденного состояния, так называемый 00переход, в энергетическом отношении одинаков при явлениях поглощения и

120

Глава 4. Флуорометрия Интенсивность

0'0'переход

Эмиссионное излучение

Поглощение

Длина волны

Рис. 4.2. Идеализированный спектр поглощения/флуоресцентного излучения

излучения. Поэтому оба спектра – поглощения и флуоресценции – имеют полосу 00перехода. Все прочие переходы при поглощении требуют больше энергии, чем любой переход при флуоресцентном излучении. Полосы эмиссионного излуче ния сдвинуты относительно полос поглощения, соответственно меньшим поло сам их энергетических уровней, примерно зеркальносимметрично 00переходу (рис. 4.2). Поэтому теоретически все спектры поглощения и спектры излучения флуо ресценции должны перекрываться при длине волны, соответствующей 00пере ходу. В действительности же 00переходы при поглощении и излучении совпада ют крайне редко. Это объясняется тем, что в интервалах длин волн, где абсорбци онные и эмиссионные спектры пересекаются, происходит частичная реабсорб ция излученного света, которая зависит от концентрации поглощающего вещества и толщины слоя, приводя – изза ослабления коротковолновых составляющих излученного света – к длинноволновому сдвигу полос флуоресценции без уста новления различий в собственно разностях термов для 00переходов при абсор бции и эмиссии. Поглощение энергии для первого возбужденного состояния лишь незначительно влияет на форму молекулы. Это означает, что распределения колебательных уров ней в основном состоянии и в первом возбужденном состоянии очень похожи. Сле довательно, энергетические интервалы между полосами эмиссионного излучения идентичны таковым между полосами поглощения. Поэтому спектр флуоресцен ции нередко становится зеркальным отражением спектра поглощения. Так как излучение флуоресценции всегда вызывается переходом из низшего колебательного уровня первого возбужденного состояния, то внешние формы спектра излучения всегда одинаковы и в принципе не зависят от длины волны возбуждающего света. Графическое представление интенсивности излучения на оси y относительно длины волны, отложенной на оси х, при заданной постоян ной длине волны возбуждения обозначают как спектр флуоресцентной эмиссии. Если изменить длину волны светового возбуждения и отложить интенсивность излучения пробы относительно длины волны возбуждения, получится спектр воз буждения флуоресценции. Если, несмотря на меняющуюся длину волны возбуждения, удерживать на постоянном уровне интенсивность возбуждающего света, то это будет специаль

4.3. Фосфоресценция

121

ный «скорректированный спектр возбуждения», поскольку он скорректирован из расчета на неизменяющуюся энергию возбуждения. Квантовый выход большин ства органических молекул в принципе не зависит от длины волны возбуждаю щего света и определяется только коэффициентом экстинкции, или мольным коэффициентом поглощения, для соответствующего соединения. При этом спектр возбуждения с постоянной энергией возбуждения, то есть скорректированный спектр возбуждения, соответствует спектру поглощения того же вещества. С точки зрения измерительной техники, о которой речь пойдет ниже, флуо ресцентная фотометрия может быть до четырех раз чувствительнее абсорбцион ной фотометрии.

4.3. Фосфоресценция Флуоресценция и фосфоресценция существенно различаются по времени затуха ния. Если излучение флуоресценции затухает в течение 10–9–10–6 с, то при появ лении фосфоресценции световое излучение длится дольше возбуждения на пери од от 10–4 до 100 с. Объяснение такой разницы во времени затухания следует ис кать в электронной теории. При возбуждении электронов обычно сохраняется их момент количества дви жения, или момент импульса (спин). У пар электронов с противоположными спи нами при возбуждении сохраняется в большинстве случаев и их четность. Но мо жет произойти переориентация возбужденного электрона, и тогда образуется мо лекула с неспаренными спинами. Согласно квантовой теории, такая молекула может существовать в трех формах энергии, то есть она находится, как принято говорить, в триплетном состоянии. Прямой переход из основного состояния в триплетное с точки зрения квантовой теории запрещен. Весьма вероятный про цесс переориентации спина может осуществляться только в результате так назы ваемой спинорбитальной связи, то есть при взаимодействии спина электрона с его орбиталями. Триплетное состояние достигается исключительно на основе пе рехода из возбужденного синглетного состояния равной энергии. В то время как возврат из синглетного состояния в основное в случае флуо ресцентного излучения происходит легко и быстро, возврат из триплетного со стояния в основное затруднителен, так как при этом вновь должна произойти переориентация спина. Связанное с этим запаздывание излучения света и есть фосфоресценция. Следует различать два типа фосфоресценции: излучение, протекающее пре имущественно при повышенной температуре и по своему спектру совпадающее с флуоресценцией, – высокотемпературная, или αфосфоресценция, и длинновол новое, наблюдаемое только при низкой температуре излучение, – низкотемпера турная, или βфосфоресценция (см. рис. 4.3). При αфосфоресценции молекула из метастабильного триплетного состоя ния в результате поглощения тепловой энергии вновь возвращается в возбужден ное состояние S1, откуда теперь осуществляется обычное излучение флуоресцен ции, которое, однако, в силу промежуточного пребывания возбужденной моле

122

Глава 4. Флуорометрия Синглетная система

Триплетная система

Переход из синглетного в триплетное состояние

Поглощение

α'фосфоресценция (флуоресценция)

β'фосфоресценция

Рис. 4.3. Схема энергетических уровней для фосфоресценции Относительная интенсивность Поглощение Флуоресценция Фосфоресценция

Длина волны, нм

Рис. 4.4. Спектр поглощения, флуоресценции и фосфоресценции у триптофана

кулы в метастабильном состоянии Т запаздывает по сравнению с нормальной флу оресценций. При наблюдаемой в большинстве случаев βфосфоресценции переход в основ ное состояние осуществляется прямо из возбужденного метастабильного триплет ного состояния. Поскольку в триплетном состоянии молекула обладает меньшей энергией, чем в соответствующем синглетном состоянии, то при этом излучается меньше световой энергии. Таким образом, излучение βфосфоресценции всегда про исходит в интервале более длинных волн, чем излучение флуоресценции (рис. 4.4). Но, поскольку молекулы способны относительно долго оставаться в триплет ном состоянии, создаются условия для того, что они начинают терять свою энер гию не только в результате фосфоресценции, но и другим путем. Особенно актив но тушат фосфоресценцию соударения с молекулами растворителя, чаще моле кулы с неспаренными электронами, например кислород, даже в минимальных кон центрациях чрезвычайно эффективны при тушении фосфоресценции. Поэтому фосфоресценция растворов при комнатной температуре считается достаточно ред ким феноменом. Фосфоресценцию можно наблюдать только при замораживании молекуляр ного движения, ибо лишь в этом случае сохраняется триплетное состояние и про

4.4. Параметры измерения при флуорометрии

123

ба приводится в «замедленное свечение». Это может произойти в результате ох лаждения пробы до очень низких температур в соответствующем сосуде Дьюара. Способ генерации фосфоресценции при комнатной температуре основан на ад сорбции пробы, размещенной на твердой поверхности, например на фильтроваль ной бумаге. Эта твердая матрица в значительной степени ограничивает возмож ность молекул вступать в реакцию с кислородом.

4.4. Параметры измерения при флуорометрии Флуорометрия отличается высокой чувствительностью и большим диапазоном линейности, действует без разрушения образца и для измерения не нуждается в большом количестве вещества. Проблемы при флуорометрическом анализе слож ных проб связаны прежде всего со спектральными наложениями и тушением флу оресцентного свечения Интенсивность и спектральное распределение флуоресцирующих веществ чрезвычайно зависят от внешних влияний – температуры, вида связи или вязко сти растворителя. Особенно сильно воздействует на флуоресценцию раствори тель, то есть непосредственное химическое окружение вещества, причем с возра станием полярности флуоресцентное излучение ослабевает. Весьма важны с ана литической точки зрения разные механизмы передачи энергии от возбужденной молекулы на соседние молекулы, которые затем начинают флуоресцировать. Здесь различают электроннообменный механизм, прямую передачу энергии посред ством фотонов и резонансный переход. Последний способ основан на том, что энергия возбуждения может передаваться на большие расстояния безызлучатель но, то есть без обходного пути через световые кванты. По сравнению с абсорбционной спектроскопией, при которой коэффициент поглощения может определяться в качестве единственного параметра, флуорес центная спектроскопия обладает гораздо большей информативностью. Она по зволяет проводить измерение множества независимых друг от друга параметров (среди них: квантовый выход флуоресценции, время жизни возбужденного со стояния) и осуществлять целенаправленное тушение флуоресценции подходящи ми вспомогательными средствами.

4.4.1. Квантовый выход флуоресценции Эффективность, с которой протекают процессы поглощения и испускания света, называют квантовым выходом. Этот параметр показывает степень вероятности того, что произойдет эмиссия поглощенного фотона – с той же или иной длиной волны. В случае фотолюминесценции квантовый выход Ф составляет: Ф = число излученных квантов света/число поглощенных квантов света. В отличие от выхода энергии, который постоянно уменьшается изза смеще ния Стокса, квантовый выход флуоресценции у всех соединений должен быть равен 1, если в дезактивации возбужденных состояний не участвуют никакие иные процессы, кроме лучистой эмиссии. Тогда на каждый поглощенный фотон дол

124

Глава 4. Флуорометрия

жен вновь испускаться тоже один квант света. Но с флуоресценцией конкуриру ют процессы безызлучательной дезактивации, от скорости которых зависит, можно ли наблюдать флуоресценцию у того или иного соединения. Для получения максимума информации о флуоресцирующем веществе необ ходимо иметь представление о квантовой эффективности «флуоресцентоносите ля». Квантовый выход вещества в принципе можно определять путем прямого измерения поглощенных и излученных квантов. Но в техническом отношении проще другой способ – на основе сравнительного измерения с использованием стандартного вещества с известным квантовым выходом. При этом определяют сначала точку пересечения обоих спектров поглощения. При заданной длине вол ны гарантируется одинаковое поглощение, причем равной концентрации для обе их проб не требуется. Соотношение площадей в пределах спектров поглощений и дает квантовый выход.

4.4.2. Количественный анализ В отношении количественного анализа следует отметить основополагающее раз личие между абсорбционной и люминесцентной фотометрией. В то время как при поглощении измеряются интенсивность I0 поглощенного света и интенсивность I пропущенного света (закон Ламберта – Бера), измеряемая флуоресцентная эмис сия зависит от предшествующего поглощения возбуждающего излучения. Для ин тенсивности Q флуоресцентной эмиссии получаем: Q = I0 (2,303 ⋅ ε ⋅ c ⋅ d) ⋅ Ф, где I0 – интенсивность возбуждающего излучения, Ф – квантовый выход флуо ресценции, с – концентрация пробы, d – толщина слоя раствора. Интенсивность флуоресценции прямо пропорциональна концентрации вещества, так что определить ее очень легко. Как и при поглощении, это будет относитель ный, но прямой способ измерения. При этом измерению подлежит непосредственно свет, который излучает данное вещество. Таким образом, измерение флуоресценции обладает, по сравнению с измере нием поглощения, гораздо более высокой чувствительностью обнаружения, что можно объяснить следующим образом. При определении флуоресцентного излу чения измеряемая величина Q прямо пропорциональна поглощаемой интенсив ности I0, в то время как при измерении поглощения определяется отношение I/I0. Это означает, что чувствительность измерения поглощения ограничена способно стью измерительного устройства различать два больших, но порой совсем незначи тельно отличающихся друг от друга сигнала I и I0. При измерении же флуоресцен ции определятся интенсивность светового сигнала, излучения флуоресценции, от носительно нуля, то есть относительно темноты. Такое измерение интенсивности позволяет получить в оптическом и электронном смысле более чувствительную измерительную систему, чем это возможно при измерении разности двух свето вых сигналов. Справедливости ради следует все же упомянуть, что в силу отсут

4.4. Параметры измерения при флуорометрии

125

ствия эталона коррекция люминесцентного спектра с учетом разброса характе ристик оборудования связана с определенными трудностями. Оцениваемый электронным способом выходной сигнал фотоумножителя ог раничивается темновым током, то есть сигналом, выдаваемым также и при пол ностью затемненном приемнорегистрирующем устройстве. Величина темново го тока зависит от температуры, так что в результате охлаждения может быть дос тигнуто более благоприятное отношение сигнал/шум и, следовательно, более высокая чувствительность. На практике возможны пределы обнаружения от 10–8 моль при абсорбцион ном анализе, в то время как с флуорометрами достижимы пределы до 10–12 моль. При высоких концентрациях веществ надо иметь в виду, что интенсивность флуо ресценции Q уже не является линейной функцией концентрации с. Чтобы ос таться в зоне линейности, максимальная концентрация не должна превышать смакс = 0,05/ε ⋅ d. Поэтому измерения флуоресценции всегда проводятся на соот ветствующим образом разбавленных пробах, в противном случае не избежать ре абсорбции излученного света. Чтобы исключить также инструментально обусловленные нелинейности (на пример, перерегулирования фотоумножителя), представляется целесообразным в любом случае путем серии калибровок определять участок линейности для под лежащего измерению раствора.

4.4.3. Тушение флуоресценции Процессы определения концентрации могут быть затруднены тушением флуорес ценции, которое бывает внешним и внутренним. Тушение флуоресценции может быть вызвано другими растворенными веществами, например кислородом, либо высокой концентрацией анализируемого вещества в результате так называемого самотушения. Повышение концентрации флуоресцирующего вещества приводит в большинстве случаев к резкому сокращению выхода флуоресценции. Существуют разные механизмы собственного или концентрационного туше ния. Вопервых, различные флуоресцирующие соединения при высоких концен трациях могут складываться в не флуоресцирующие двойные молекулы. Во мно гих случаях обнаруживается при этом рост медленно затухающей фосфоресцен ции. При других соединениях концентрационное тушение основано на сокраще нии времени жизни возбужденных молекул, чему способствуют прежде всего соударения с гомогенными невозбужденными молекулами. По этой причине в чистых жидкостных соединениях флуоресценция тоже, как правило, отсутствует. С концентрационным тушением тесно связано и так называемое внешнее, или постороннее, тушение, при котором примеси, иногда даже совсем в небольших концентрациях, вызывают чрезвычайно интенсивное тушение, не вступая с флу оресцирующими соединениями в скольконибудь прочные связи. Многие «туши тели» на основе их абсорбционных спектров вообще не в состоянии поглощать длину волны флуоресцирующего света. К сильно действующим тушителям при надлежат, например, ионы тяжелых металлов, ионы галогенов, кислород, а также большое число непредельных и ароматических соединений.

126

Глава 4. Флуорометрия

Внешнее тушение под действием молекултушителей осуществляется или до электронного возбуждения, или после него. Вопервых, перед возбуждением об разуются обратимые, не способные к флуоресценции ассоциированные соедине ния с тушителем. Вовторых, только в возбужденном состоянии происходит вза имодействие с молекулойтушителем. Безызлучательный отвод энергии осуще ствляется посредством биомолекулярных обратимых реакций, причем в много численных операциях тушения участвуют окислительновосстановительные процессы посредством захвата или отдачи электронов. Целенаправленное использование веществ для тушения флуоресценции анг личане называют «quenching». Большое число тушителей (quencher) находит впол не специфическое применение согласно конкретно поставленной задаче, посколь ку разные тушители не всегда одинаково воздействуют на те или иные люмино форы с возможностью специальной модификации их физикохимических свойств. Типичными тушителями такого рода считаются, в первую очередь, пирокатехин, гидрохинон и другие фенолы, а также анилин, нитробензол и сродственные к ним соединения.

4.4.4. Флуоресцентные индикаторы В результате реакции с подходящими реагентами даже не флуоресцирующие преж де вещества могут быть превращены во флуоресцирующий продукт, который за тем можно обнаружить методом флуорометрии. Для флуорометрического опре деления ионов металла используются флуоресцентные индикаторы, которые в результате комплексообразования изменяют свойства флуоресценции. Идеаль ный флуоресцентный индикатор должен вызывать отчетливое изменение спект ральных характеристик после реакции с ионами металла. При этом вследствие комплексообразования происходит сдвиг максимума поглощения как для возбуж дения, так и для излучения. Как и в абсорбционной спектроскопии, здесь также имеются соответственно более или менее селективные флуоресцентные индика торы. Кроме того, при условии большого выхода флуоресценции получают на порядок более высокую чувствительность обнаружения. Но определенные проблемы нередко создают еще и спектральные наложения, поскольку спектры флуоресценции многих ионных комплексов металлов не об ладают требуемой специфичностью. В качестве примера флуоресцентного инди катора можно назвать 8оксихинолин5сульфокислоту. Полным ходом идет по иск индикаторов, специфичных в отношении тех или иных исследуемых веществ. При этом речь идет об индикаторах не только для ионов металлов, но и для других классов веществ. Углеводы успешно идентифицируются, например, с помощью 2аминобензамида.

4.5. Флуоресцентные спектрометры Принцип флуорометрии заключается в том, что вещество возбуждается источни ком света, после чего интенсивность флуоресцентной эмиссии измеряется как функция длины волны возбуждения и эмиссионного излучения. В отличие от аб

4.5. Флуоресцентные спектрометры

127

Источник света

Монохроматор возбуждения Кремниевый диод (счетчик квантов) Делитель пучка Фотоумножитель Кювета с образцом Монохроматор эмиссионного излучения

Рис. 4.5. Блоксхема сканирующего флуорометра

сорбционной спектроскопии, при измерении флуоресценции всегда рассматри ваются две длины волн – длина волны возбуждения и длина волны эмиссионного излучения. Как и любой спектрометр, флуорометр состоит из следующих основ ных узлов: источника света с выбираемой длиной волны, носителя пробы и при емника излучения. Дополнительно должна регулироваться длина волны эмисси онного излучения. Как и в абсорбционной спектроскопии, здесь тоже различают фотометры и сканирующие (растровые) флуорометры. Простые устройства ис пользуют оптический фильтр для выбора длины волны возбуждения и эмиссион ного излучения. Такие фотометры предназначены для количественных анализов. Для сканирующих приборов требуются монохроматоры с дифракционной ре шеткой (рис. 4.5). В отличие от классических двухлучевых исполнений в абсорбци онной спектроскопии, сканирующие флуорометры выполнены в виде однолучево го устройства. При этом, вопервых, благодаря малому числу оптических компо нентов обеспечивается максимально возможное пропускание света; вовторых, можно выбирать значительно более высокую скорость сканирования, так как при однолучевой системе не надо учитывать переключение излучения с образца на стан дарт и обратно, чем существенно ограничивается максимальная скорость. Правда, при однолучевом методе приходится еще корректировать регистрируемые спектры. Рассеиваемый во все направления пространства флуоресцентный свет детек тируется под углом 90° к падающему световому лучу с максимально большим про странственным (телесным) углом. Расстояние между кюветой и детектором дол жно быть как можно меньше. За счет изменений ширины щели на обоих моно хроматорах могут варьироваться спектральные участки пропускания относитель но ширины полос спектра. Большая спектральная ширина полосы обеспечивает высокую чувствительность обнаружения для эмиссионного излучения. При ма лой спектральной ширине полосы лучше разрешается эмиссионный спектр. Уда ется распознать специфичную для вещества тонкую структуру, причем особенно отчетливо – в случае полициклических углеводородов и их производных.

128

Глава 4. Флуорометрия

Однако в целях лучшего детектирования диффузного света с принятием во внимание его интенсивности работа ведется обычно с меньшим, чем при абсорб ционной спектроскопии, спектральным разрешением, задаваемым шириной щели и используемыми рассеивающими решетками. Как правило, находит примене ние ширина щели 5 нм в ходе лучей возбуждения и от 10 до 20 нм в ходе эмисси онных лучей. Но учитывая, что электронные переходы в случае молекул обычно имеют естественную ширину полосы более 50 нм и обладают в своем большин стве не столь тонкой структурой, как соответствующие абсорбционные спектры, такое пониженное спектральное разрешение вполне приемлемо. Для регистрации флуоресцентного свечения с как можно большим телесным углом в качестве детектора применяют почти исключительно фотоумножитель с фотокатодом большой площади. Диодные же матрицы, играющие доминирую щую роль в абсорбционной спектроскопии, по причине недостаточной площади детектора подходят меньше, несмотря на все преимущества мультиплексности. В принципе для возбуждения флуоресценции используются те же источники излучения, что и в абсорбционной спектроскопии, то есть либо излучатели с не прерывным распределением энергии (ксеноновые лампы), либо линейные излу чатели (ртутные спектральные лампы). Наиболее распространенным источником излучения считается ксеноновая лампа, дающая непрерывный спектр. Ртутные лампы высокого давления обладают большей интенсивностью, но их энергия рас пределяется по отдельным спектральным линиям, что не позволяет выполнять измерение спектров возбуждения. Варьирующая в зависимости от длины волны интенсивность возбуждающего излучения компенсируется электронным способом. Для этого с помощью свето делителя одна часть монохроматического света возбуждения направляется к счет чику квантов, который измеряет интенсивность, а другая часть света возбуждает пробу. В качестве счетчика квантов используются кремниевые фотодиоды.

4.5.1. Разные виды спектров В зависимости от того, варьируется ли длина волны возбуждения или длина вол ны эмиссионного излучения, говорят о спектре возбуждения или, соответствен но, эмиссионном спектре – собственно спектре флуоресценции. Если вместо фильтра эмиссионного излучения использовать монохроматор, то излучение флуоресценции можно регистрировать как функцию длины волны. Таким образом, эти устройства дают спектр флуоресцентной эмиссии. Если фильтр возбуждающего излучения заменить монохроматором, то при постоянной длине волны излучения флуоресцентная эмиссия измеряется как функция длины волны возбуждения. Запись дает спектр светового возбуждения, предлагающий часто дополнительную информацию о структуре вещества. Поми мо этого, с помощью монохроматора возбуждающего излучения можно устано вить длину волны и ширину полосы возбуждения с таким расчетом, что создают ся оптимальные условия для измерения эмиссии. Чтобы полностью использовать возможности флуоресцентного анализа, мож но прибегнуть к разложению как возбуждающего излучения, так и эмиссионного

4.5. Флуоресцентные спектрометры

129

излучения посредством не зависимых друг от друга дифракционных монохромато ров. При этом будут регистрироваться и спектры возбуждения флуоресценции, и спектры флуоресцентной эмиссии. Так как оба они специфичны в отношении кон кретных веществ, то с помощью подходящего оборудования удается в полной мере реализовать возможности флуоресценции в области качественных анализов. Далее, такие устройства обеспечивают вариант «синхронизированного ска нирования». При синхронной спектроскопии оба монохроматора сканируются одновременно с определенной разностью длин волн. Результатом будет своеоб разная смесь из спектров эмиссионного излучения и возбуждения. Такую мето дику применяют главным образом в целях контроля чистоты, ибо при этом удает ся наблюдать в спектре значительно больше структур. В качестве нового способа может быть предложена трехмерная флуоресцен ция. Спектр трехмерной флуоресценции составлен из переменных – длины вол ны возбуждения, длины волны эмиссионного излучения и интенсивности флуо ресценции. Таким образом, все возможные комбинации длин волн возбуждения и излучения регистрируются в одном трехмерном графике. При этом объемные спектры флуоресценции одновременно содержат спектральную информацию, которая не может быть считана в стандартных спектрах возбуждения и излуче ния. Объемные спектры предоставляют максимально быстро и в исчерпывающем объеме данные о спектральной флуоресценции исследуемой смеси веществ. Опи санный трехмерный метод обеспечивает, следовательно, точную идентификацию соединений. Он обнаруживает у практически идентичных соединений даже ма лейшие различия, обусловленные возможными загрязнениями или занесенными изготовителем примесями. К слову сказать, указанные достоинства трехмерной флуоресценции известны уже давно, но этот способ использовался крайне редко изза больших затрат вре мени на его проведение. При обычной скорости сканирования макс. 1200 нм/мин на запись одного трехмерного спектра потребуется около 1 часа. Правда, благода ря сверхскоростной обработке данных в настоящее время возможны скорости до 500 нм/с, что сокращает продолжительность регистрации до 1–2 минут.

4.5.2. Коррекция спектров Записанные спектры отображают прежде всего значения интенсивности, кото рые путем радиометрической коррекции должны быть преобразованы в реальные спектры. Это необходимо, поскольку и источник излучения, и детектор, и оба монохроматора с дифракционной решеткой функционируют в зависимости от длины волны. То есть интенсивность лампы, эмиссионная характеристика решетки и чувствительность фотоумножителя есть нелинейные функции длины волны. Эти обусловленные аппаратурными признаками дисперсии накладываются на изме ренный спектр и подлежат соответствующей коррекции, чтобы можно было вы полнить не зависимое от прибора сравнение спектров. Такая коррекция осуще ствляется, вопервых, на стороне возбуждения (источник света и решетка воз буждения), вовторых, на стороне эмиссионного излучения (детектор и решетка флуоресценции). На спектрах возбуждения коррекция сказывается сильнее, чем

130

Глава 4. Флуорометрия

на эмиссионных спектрах. Поскольку абсолютных методов, не зависимых от длины волны, просто не существует, приходится довольствоваться сравнением со стан дартизованными лампами или, соответственно, стандартизованными эталонны ми спектрами. Так как спектры возбуждения и спектры поглощения идентичны, коррекцию хода возбуждающих лучей выполняют путем индивидуального определения обо их спектров с последующим сравнением на основе формирования отношений. Далее, коррекция по возбуждению возможна с помощью «оптического интег ратора». Для этого часто используют концентрированный раствор родамина «В» в этиленгликоле в качестве «химического» счетчика квантов. Этот раствор погло щает все падающие лучи света независимо от длины волны. Так как эмиссия на блюдается при определенной длине волны, дисперсию в ходе эмиссионных лучей можно оставить без внимания. Частота монохроматического выходного излуче ния не зависит от частоты посылаемых квантов света. Интенсивность выходного излучения счетчика квантов пропорциональна величине интегрирования всех падающих квантов. Раствор родамина «В» имеет преимущество линейной работы в относительно широком интервале частот от 200 до 600 нм, то есть в пределах этого диапазона измерения поглощается столько же фотонов, сколько испуска ется. Это касается, естественно, только поглощаемых фотонов с длиной волны короче эмиссионной длины волны раствора. Для коррекции спектра излучения необходимо выровнять чувствительность детектора или устранить зависимость КПД эмиссионной решетки от длины вол ны. Спектр подлежит коррекции из расчета на полную интенсивность, то есть на общее число инициируемых флуоресценцией фотонов. Надежный метод основан на отдаче энергии калиброванной стандартной вольфрамовой лампой, мощность излучения которой подтверждена документально. При этом сначала регистриру ют эмиссионный спектр лампы, затем значения градуировки делят на величины измерения, отнесенные к определенным длинам волн. Результатом будут соот ветствующие поправочные коэффициенты. Они сохраняются в компьютере и со относятся с измеренным спектром флуоресценции. Еще одна возможность коррекции состоит в том, что измеренный спектр эмис сионного излучения стандартного вещества посредством формирования отношений сравнивают с его реальным, документально зафиксированным спектром. В качестве Интенсивность С коррекцией Без коррекции

Длина волны, нм

Рис. 4.6. Эмиссионный спектр сульфата хинина с коррекцией и без нее

4.5. Флуоресцентные спектрометры

131

примера вещества с калиброванным эмиссионным спектром можно назвать сульфат хинина (рис. 4.6).

4.5.3. Рассеяние света Наряду с абсорбцией и эмиссией, при облучении вещества возможны также до полнительные явления рассеяния. Подобно флуоресценции, рассеянное излуче ние распространяется по всем направлениям пространства. При этом оно может исходить как от отдельных молекул (рассеяние Рэлея), так и от мельчайших час тиц коллоидных растворов (рассеяние Тиндаля). Интенсивность рассеянного из лучения пропорциональна 4й степени частоты возбуждения, то есть коротковол новое возбуждающее излучение рассеивается гораздо сильнее, чем длинноволно вое. Для флуоресцентной спектроскопии это означает, что частота возбуждающе го света оказывается не так уж далеко в коротковолновой УФобласти, поскольку здесь значительная часть энергии теряется изза рассеяния. Но, с другой сторо ны, частота возбуждения не может располагаться и вплотную к эмиссионным ча стотам, в противном случае будет иметь место сильное фоновое излучение. Чув ствительность обнаружения вследствие этого понижается с переходом через гра ницу линейности приемника излучения. С учетом заметно меньшей доли рассеянного света вогнутые дифракционные решетки представляются более подходящими для флуорометрии, чем их плоские варианты. В более дорогих приборах находят применение двойные решетки, обес печивающие отличное подавление рассеянного света. Это наилучший выбор для мутных, то есть сильно рассеивающих, проб. Простые спектрометры, без сомне ния, обойдутся дешевле. Помимо прочего, простой монохроматор с меньшим числом оптических поверхностей будет даже эффективнее. Его более высокое пропускание может иметь решающее значение при анализе весьма слабо флуо ресцирующих проб или при исследовании образцов с очень низкой концентра цией. Наряду с рассеянием Рэлея и Тиндаля необходимо учитывать еще и комбина ционное рассеяние растворителя. Дело в том, что при обычных растворителях не происходит электронного возбуждения, но зато возможны колебательное и вра щательное возбуждения. Возникающее при этом излучение находится в интерва ле более длинных волн, чем возбуждающее излучение, и может привести к сме шению с излучением флуоресценции либо наложению их друг на друга. Так как явление комбинационного рассеяния всегда наступает на одном и том же рассто янии от длины волны возбуждения, а длина волны излучения флуоресценции от этого не зависит, часто удается путем изменения длины волны возбуждения избе жать совпадения этих двух эмиссий. Хотя интенсивность комбинационного рассеяния совсем невелика, она все же может сильно мешать при малых концентрациях вещества, то есть при слабой интенсивности флуоресценции. Комбинационное рассеяние можно в большин стве случаев распознать по наличию необычайно узких полос в спектре эмисси онного излучения, изменяющихся в зависимости от длины волны возбуждения. При количественных анализах рекомендуется в этом случае использовать соот

132

Глава 4. Флуорометрия

Òàáëèöà 4.2. Ïîëîæåíèå ïîëîñ êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ êàê ôóíêöèÿ äëèíû âîëíû âîçáóæäåíèÿ äëÿ ðàçíûõ ðàñòâîðèòåëåé Ðàñòâîðèòåëü

Ëèíèÿ âîçáóæäåíèÿ Hg, íì 248

313

366

405

436

Âîäà

271

350

418

469

511

Ýòàíîë

267

344

410

459

500

Öèêëîãåêñàí

267

344

409

458

499

ÑÑl4

–

320

376

418

450

Õëîðîôîðì

–

346

311

461

502

ветствующее смещение длины волны возбуждения. Таблица 4.2 приводит для не которых часто используемых растворителей положение спектральных полос ком бинационного рассеяния как функцию длины волны возбуждения. Путем выбора подходящего растворителя можно поместить мешающее излуче ние комбинационного рассеяния достаточно близко к длине волны возбуждения. Таким способом удается также избежать перекрытия излучения флуоресценции по лосой комбинационного рассеяния. У тетрахлоруглерода и хлороформа полосы ком бинационного рассеяния плотнее всего прилегают к длине волны возбуждения. Если излучение комбинационного рассеяния растворителя не известно, его следует определить путем регистрации спектра эмиссионного излучения чистого растворителя при высокой чувствительности измерения. Длина волны возбужде ния при таком способе измерения должна быть равна длине волны возбуждения при последующем измерении флуоресценции.

4.5.4. Прочие возможные погрешности «Холостой» результат флуоресцентного измерения можно получить в результате собственной флуоресценции кювет и растворителей. В этом отношении устанав ливаются чрезвычайно высокие требования к кюветам: перед началом каждого измерения новые кюветы подлежат проверке на равномерность флуоресцентных свойств. Определенную внутреннюю флуоресценцию могут обнаруживать также оптические компоненты спектрометра – линзы, зеркала и фильтры. Растворитель должен быть прозрачным по всему диапазону измерения флуорес ценции. Серьезной помехой могут стать примеси и загрязнения любого рода. С уче том широкой области пропускания самым благоприятным растворителем считается вода. В принципе категорически не рекомендуется хранить растворители в пласти ковых бутылках, ибо при этом выделяются следовые количества аддитивных соеди нений и мягчителей, показывающих порой сильную флуоресценцию. Столь же от рицательное воздействие могут оказывать и используемые иногда моющие средства. Поскольку в области флуорометрии приходится работать с сильно разбавлен ными растворами, следует обратить пристальное внимание на связанные с этим проблемы и возможные источники погрешностей. При измерениях в субмикро граммовом диапазоне незначительная адсорбция вещества на стенках емкости уже может привести к ошибочным результатам. Так как исследуемые вещества подвергаются действию очень интенсивного возбуждающего излучения флуорометра, то легко могут наступить фотохимичес

4.6. Носители (держатели) проб

133

кие реакции, способные стать причиной серьезного искажения результатов из мерений. В таких случаях уменьшается спектральная ширина полосы возбуждаю щего излучения. Но поскольку при чувствительных веществах все же возможны фотохимические реакции, то представляется целесообразным ограничивать вре мя экспонирования до необходимой для измерения продолжительности. Импуль сное управление источником возбуждающего света также способствует сокраще нию периода экспонирования. Далее, можно прибегнуть к уменьшению длины волны возбуждения или снижению интенсивности возбуждающего излучения.

4.6. Носители (держатели) проб Так как большинство определяемых флуорометрическим способом веществ пред ставлено в растворе, для проведения измерения необходимы жидкостные кюве ты. Наряду с материалом для кювет и выбранным растворителем внимания заслу живает также геометрическая форма кюветы в ходе лучей флуорометра. Посколь ку флуоресцентное излучение расходится во все направления пространства, то в принципе возможен его прием из всех направлений, однако следует иметь в виду, что для значительной части измеряемых разбавленных растворов всегда суще ствует некое предпочтительное направление. С точки зрения техники измере ния лучше всего принимать излучение флуоресценции под прямым углом к воз буждающему излучению. При такой геометрии сводится к минимуму нежела тельная доля рассеянного излучения через стенки кюветы и растворитель. По добная схема находит применение практически у всех флуорометров. Исходя из этих соображений, выбирается, как правило, кювета квадратной формы, посколь ку этот тип считается оптимальным в смысле точности толщины слоя и плоско параллельности. При размерах, с которыми светопоглощение измеряемого раствора становит ся больше, выходящее из кюветы излучение флуоресценции становится все мень ше, пока не достигнет точки, в которой будет наблюдаться разве что флуоресцен ция самого крайнего, внешнего, слоя поверхности кюветы. В этом случае измере ние все еще возможно, даже если доля рассеянного по стенкам света станет весь ма значительной (рис. 4.7). Поверхностная эмиссия стремительно приближается

Флуоресценция

Флуоресценция

Рис. 4.7. Нормальное измерение флуоресценции (слева) и поверхностная эмиссия (справа)

134

Глава 4. Флуорометрия

к своему предельному значению, то есть возрастающая концентрация пробы не вызывает усиления флуоресцентной эмиссии. Некоторые коммерческие приборы предлагаются в комплекте с принадлежно стями для определения поверхностной эмиссии. Наряду с возможностью разбавле ния пробы не стоит упускать из виду и способ применения, особенно если оптичес кая плотность раствора пробы в области флуоресценции превышает 0,1 единицы. Для измерения флуоресценции на твердых веществах (пластмассы, лаки) мо гут вводиться специальные добавки, с помощью которых определяется поверхно стная эмиссия. Как и в абсорбционной спектроскопии, в области флуорометрии тоже заметно набирают популярность световоды, причем световодные флуорес центные датчики непрерывно измеряют флуоресценцию анализируемого веще ства, позволяя действовать прямо на месте (определение insitu).

4.7. Влияние температуры В связи с тем, что число соударений между молекулами пробы (люминофорами) и молекулами растворителей зависит от температуры, этим параметром опреде ляется и само флуоресцентное излучение. В растворах свободно движущиеся лю минофоры быстро соединяются с другими и могут таким образом значительно осложнить спектральное определение. В самом худшем случае флуоресценция пол ностью подавляется. При комнатной температуре причиной уширения спектраль ных линий является в большинстве случаев неоднородность растворителя: это со стояние окружения каждого люминофора, нежелательным образом изменяющее естественную ширину линий его спектрального поведения. В спектре флуорес ценции следствием этого будет уширение и взаимное наложение полос. Итак, с повышением температуры флуоресцентная эмиссия уменьшается. Необходимо поэтому проводить измерение проб по возможности при посто янной температуре. Для достижения точных измерений температура проб остает ся на постоянном уровне благодаря термостабилизированному держателю кюве ты. У большей части веществ достаточно следить за тем, чтобы разность темпера тур между кюветой и камерой образца была как можно меньше. Поскольку нагре вание этой камеры происходит в первую очередь от источника излучения, последний должен быть отделен от нее надежной термоизоляцией. Недостаточ ная воспроизводимость измеренных параметров часто объясняется именно не постоянством температуры. В целях повышения чувствительности измерения це лесообразно прибегают к охлаждению используемых проб. Если в конце концов достигается охлаждение до температуры жидкого азота (точка кипения –196°С), то большинство растворителей – в том числе и углево дороды – затвердевают. В этой твердой матрице люминофор изза столкновения молекул уже не получает неоднородного уширения линий. Безызлучательные пе реходы при низких температурах минимизированы, так что у ряда веществ вооб ще может наблюдаться только флуоресценция. Вместо широких полос у низкотемпературных спектров в затвердевшей мат рице появляются многочисленные узкие пики, которые могут быть отнесены к

4.8. Флуоресценция, индуцированная лазерным излучением

135

отдельным электронным переходам. Понятно, что благодаря такому спектру вы сокого разрешения с хорошо разрешенными полосами идентификация веществ протекает более успешно. При столь совершенной методике низкотемпературная флуоресценция приобретает особое значение.

4.8. Флуоресценция, индуцированная лазерным излучением Лазерное излучение отличается высокой интенсивностью и точностью частоты, заметно превосходящими эти характеристики у всех иных источников излучения. Лазер позволяет осуществлять целенаправленное возбуждение степеней свободы молекул, вызывать тем самым необходимые реакции, после чего исследовать про дукты реакций на предмет их возбужденного состояния. Разработка перестраива емых лазеров высокой интенсивности открыла этим источникам излучения путь в спектроскопию. Высокая спектральная эффективность лазерного излучения обеспечивает максимальную чувствительность, а благодаря острой направленно сти светового пучка достигается высокое пространственное разрешение вплоть до микрометрового диапазона. При инициированной лазерным излучением флуоресценции луч лазера ис пользуется для возбуждения электронного перехода в молекуле. В качестве ис точника возбуждающего излучения вполне годятся азотные лазеры с длиной вол ны 337 нм и перестраиваемые лазеры на красителе для интервала длин волн от 350 до 1100 нм. Лазер чрезвычайно удобен в качестве источника УФсвета, так как обеспечивает высокую плотность энергии и, следовательно, эффективное возбуж дение флуоресценции. Здесь после возбуждения может регистрироваться или спектр возбуждения, то есть вся флуоресценция как функция длины волны посы лаемого лазером луча, или спектр флуоресценции, то есть флуоресценция со спек тральным разрешением. Индуцированная лазерным излучением флуоресценция отличается очень вы сокой чувствительностью – до единиц в триллионных долях [4.2]. Благодаря чрез вычайно высокой интенсивности лазерного излучения можно возбуждать соеди нение до уровня «предельной флуоресценции», то есть до достижения равнозасе ленности основного и возбужденного состояний. При этом отдельные молекулы могут возбуждаться многократно. На основе избирательного возбуждения опре деленных электронных состояний вычисляется отношение заселенностей и ло кальная температура, например в пламени [4.3]. При использовании импульсных лазеров можно получать и спектры флуоресценции с разрешением во времени, что позволяет существенно повысить желаемую селективность. Важнейшей областью применения флуоресценции, индуцированной лазерным излучением, является определение полициклических ароматических углеводоро дов, образующихся в процессе сгорания (автомобильные выхлопы, печи для сжи гания и др.). Полициклические ароматические углеводороды служат индикатором загрязнения окружающей среды и, учитывая их токсичность и канцерогенность, подлежат строгому аналитическому контролю. Согласно предписанию по качеству

136

Глава 4. Флуорометрия

питьевой воды, из примерно 200 известных полициклических ароматических угле водородов сумма шести важнейших соединений (бензопирен, фторантен и их про изводные) не должна превышать предельного значения 0,2 миллиардной доли. По нормам ДИН 38 407F8, определение количества полициклических аро матических углеводородов в питьевой воде в стандартном варианте проводится путем разделения по методу высокоэффективной жидкостной хроматографии и обнаружения с помощью флуоресцентного детектора [4.4]. Без дорогостоящего процесса хроматографического разделения можно, пользуясь инициируемой ла зерным излучением флуоресценцией, найти суммарный параметр для нагрузки со стороны полициклических ароматических углеводородов. Влияние других флуо ресцирующих веществ, входящих в состав воды (гуминовые вещества и хлоро филл), может быть при этом подавлено на основе интерпретации спектров с вре менным разрешением.

4.9. Флуорометрия с разрешением во времени В качестве нового метода предлагается флуорометрия с временным разрешени ем, где используется разное время жизни флуоресценции отдельных соединений. После возбуждения пробы коротким световым импульсом измерению подлежит либо время тушения флуоресценции, либо флуоресценция в определенный выде ленный отрезок времени после отключения светового импульса. Тушение флуо ресценции происходит экспоненциально со временем; время спада до половины величины, когда возможно различение отдельных веществ, находится в области наносекунд. Это дает еще один элементноспецифичный параметр для целей иден тификации. Путем цифрового согласования кинетики тушения удается опреде лять флуорометрическим методом в том числе и смеси веществ [4.5]. Лазерная спектроскопия с разрешением во времени может успешно применяться при определении полициклических ароматических углеводородов, рассматривае мых как индикатор загрязнения окружающей среды и, с учетом их высокой ток сичности и канцерогенности, подлежащих обнаружению в воде на уровне ультра следов. Так как полициклические ароматические углеводороды при возбуждении УФизлучением флуоресцируют, то через флуоресценцию возможно их обнаруже ние вплоть до единиц нг/л. Обычно при этом прибегают к разделению полицикли ческих ароматических углеводородов на основе высокоэффективной жидкостной хроматографии [4.6] или планарной хроматографии, после чего количественно оце нивают с помощью флуоресцентного детектора. Эти достаточно сложные методы, которые находят применение главным образом в лабораториях высшего класса, специализирующихся на исследовании объектов окружающей среды, могут обхо диться совсем простым, разрешенным по времени устройством для измерения флу оресценции. Это позволяет проводить экспрессные анализы загрязненных вод не посредственно на месте, причем с минимальными финансовыми затратами [4.7]. Если флуоресценцию возбуждают светом высокой частоты, то флуоресцент ное свечение также модулировано, но со сдвигом по фазе относительно возбуж дающего света. При такой технике фазовой флуорометрии тоже можно вычис лять время тушения флуоресценции – на основе частоты модуляции и фазового

4.10. Резюме и перспективы развития флуорометрии

137

сдвига. Путем изменения частоты модуляции достигается аналитическое опреде ление, в том числе и смесей веществ. Впрочем, данный метод не получил пока широкого распространения по при чине довольно высоких затрат на необходимое оборудование. Однако, учитывая его неоспоримые достоинства и, в частности, быстрое аналитическое определе ние смесей веществ, есть основания полагать, что рынок все же отреагирует на ситуацию и начнет предлагать вполне доступные по цене флуорометры для этой интересной методики.

4.10. Резюме и перспективы развития флуорометрии Флуорометрия есть достаточно широко распространенный метод аналитическо го определения, при котором предусмотрено электронное возбуждение вещества от источника излучения с последующим измерением интенсивности флуоресцен тной эмиссии как функции длины волны возбуждения и эмиссионного излуче ния. При этом регистрации подлежит либо интенсивность флуоресцирующего анализируемого вещества, либо обусловленное этим веществом изменение флуо ресценции флуоресцентного индикатора. На основе флуорометрии можно получать как количественные, так и каче ственные результаты, причем этот метод отличается высокой чувствительностью и большим диапазоном линейности, действует без разрушения образца и требует для своей реализации минимального количества вещества. Но, как и любой дру гой способ следового анализа, он нуждается в особой тщательности проведения измерения. Пробы могут быть представлены во всех агрегатных состояниях. При наличии более дорогих и качественных оптических систем легко проводятся так же измерения на замутненных, экстремально рассеивающих, пробах. Для реализации многочисленных возможностей регистрации и расшифровки спектров обязательно необходим присоединенный компьютер, задачей которого является управление монохроматорами и щелью и последующее вычисление скор ректированного спектра. Предлагаемые в области флуоресцентной спектроскопии технические возмож ности в настоящее время почти столь же многообразны, как велико число зани мающихся этой проблематикой ученых. Наряду со стандартным применением флуорометрии появляются новые и все более совершенные методы, например в сфере медицины и экологии. Благодаря привлечению лазеров в качестве источника возбуждающего излу чения удается значительно повысить интенсивность результирующей флуорес ценции. С помощью индуцированной лазерным излучением флуоресценции мож но на несколько порядков понизить предел обнаружения, что открывает новые перспективы в деле определения мельчайших следов значимых для окружающего мира веществ (пример: озон). Сопряжение со световодами создает условия для проведения измерений на пробах в тяжело доступных местах. Метод флуоромет рии с разрешением во времени обеспечивает возможность одновременного рас познавания сразу нескольких веществ в смеси – без предварительного разделе ния ее на отдельные компоненты.

ÃËÀÂÀ 5 ÈÊ-ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏÈß Диапазон инфракрасного излучения охватывает область от границы видимой ча сти спектра вплоть до микроволновой. Это самый большой участок шкалы элек тромагнитного излучения с длинами волн от 1 мкм до 1 мм, который, в свою оче редь, разделяется на более узкие фрагменты. Участок спектра примерно от 2,5 до 50 мкм относят к средней ИКобласти, где происходит поглощение электромагнитного излучения, связанное с колеба тельными (и вращательными) переходами в молекулах, поэтому в данном случае можно говорить о колебательной спектроскопии. С одной стороны к ней примы кает длинноволновая (дальняя) ИКобласть с длиной волны более 50 мкм, где наблюдаются чисто вращательные спектры более легких молекул. С коротковол новой стороной соседствует ближняя ИКобласть с интервалом длин волн от 800 до 2500 нм. Здесь наблюдается поглощение излучения, связанное с мультиплекс ными колебательными переходами. С теоретической точки зрения ближняя ИК область, безусловно, относится к ИКспектроскопии, но если принять во внима ние используемое при этом оборудование и процесс подготовки проб, то напра шиваются параллели больше со спектроскопией УФ и видимой областей. В силу высокой информативности спектров и разнообразия возможностей их получения ИКспектроскопия уже давно считается одним из важнейших методов анализа. Расшифровка инфракрасных спектров оказывается значительно проще, чем теоретическое толкование ультрафиолетовой и видимой областей спектра. Боль шое количество различных правил и закономерностей позволяет достаточно быст ро делать достоверные прогнозы о молекулярном строении анализируемого веще ства. Благодаря значительному усовершенствованию оборудования в настоящее время инфракрасная спектроскопия может быть использована не только для про стой и вполне заурядной идентификации или контроля чистоты вещества, но и для качественного и количественного анализа реакционных смесей и для определения структуры неизвестных соединений. Правда, для получения столь обширного объема информации иногда требуется весьма дорогостоящая подготовка проб. Первые коммерческие мультиплексные ИКспектрометры, использующие преобразование Фурье, появились в конце 60х годов. Если в УФ/видимой спек троскопии мультиплексность достигается за счет использования диодных матриц, то в ИКспектроскопии находит применение техника Фурьепреобразования, бла годаря которой этот спектральный метод получил мощный импульс к дальней шему развитию. Прежде всего, пользователей привлекла высокая скорость реги страции инфракрасных спектров. Кроме того, удалось достичь на порядок более низких пределов обнаружения. Все это открыло новые области применения, не доступные до сих пор для традиционных систем. Тенденция обращения к мультиплексным приборам в сфере ИКспектроско пии окончательно сформировалась в последние годы. Когда сегодня говорят об

5.1. Историческая справка

139

инфракрасной спектроскопии, то нет нужды упоминать при этом преобразова ние Фурье, поскольку ИКспектроскопия стала практически Фурьеспектроско пией, и это воспринимается так же естественно, как в 70е годы считалось само собой разумеющимся, что для регистрации инфракрасных спектров используют ся спектрометры с дифракционной решеткой, а не с призмами. Так как ИК Фурьеспектрометр принципиально требует оснащения компью тером для отображения спектра, то это дает и все преимущества компьютерной обработки полученных результатов. На основе сравнения спектров идентифика ция неизвестного вещества осуществляется всего за несколько секунд – в зависи мости от мощности ПК и объема библиотеки спектров. Сейчас рынок предлагает небольшие и вполне приемлемые по цене (от 40 000 марок) ИК Фурьеспектрометры, отличающиеся удобством обращения и легкос тью обслуживания. Современный Фурьеспектрометр является продуктом высо ких технологий, в котором многочисленные оптические и электронные компонен ты взаимодействуют настолько органично, что пользователь этого даже не замеча ет. После того как Фурьеметодика полностью завоевала позиции в инфракрасной области спектра, пришла пора подумать о разработке помимо классических так же и новых, ориентированных на область применения, устройств, улучшающих харак теристики спектрометра. Спектрометр есть сумма многих свойств, грамотное ис пользование которых требует достаточно высокой профессиональной подготовки. Большинство изготовителей приборной техники активно пользуются услугами ква лифицированных научных сотрудников и опытных дилеров.

5.1. Историческая справка Инфракрасное излучение было открыто В. Гершелем в 1800 г. Первые системати ческие регистрации ИКспектров выполнялись У. Кобленцем уже в 1905 г., но только к середине 40х годов метод был поставлен на коммерческую основу. При этом сна чала речь шла исключительно о методе количественного анализа, который ис пользовался, прежде всего, в производстве синтетического каучука. И только после создания двухлучевого спектрометра были осознаны, наконец, исключительные возможности ИКспектроскопии для идентификации и определения строения ве щества. Первый двухлучевой спектрометр был сконструирован в 1939 г. Э. Лерером (ф. BASF, Баденская содовоанилиновая фабрика) [5.1]. Одновременно с этим газовая хроматография сделала столь мощный рывок в своем развитии, что те перь именно этот метод стал самым популярным в области количественного ана лиза органических веществ. С внедрением двухлучевых спектрометров инфракрасная спектроскопия ис пользуется главным образом для простого и быстрого проведения качественного анализа. Количественные определения здесь несколько отошли на задний план, и только сейчас к ним вновь обратились благодаря заметному улучшению чув ствительности приборов. В 50е годы спектры приходилось регистрировать еще от точки к точке с по мощью гальванометра, составлять реестры спектров и проводить их сравнение путем механической сортировки перфокарт. Первоначальные призменные моно

140

Глава 5. ИКспектроскопия

хроматоры, учитывая оптическую прозрачность в инфракрасной области спект ра, нужно было изготавливать из монокристаллов NaCl (!). Эти приборы облада ли солидными размерами и, кроме того, нуждались в эффективной защите дис пергирующего излучение элемента от действия влаги. С началом использования дифракционных решеток в качестве монохроматора удалось значительно умень шить габариты спектрометров до уровня настольного прибора. В 1887 г. Альберт А. Майкельсон из Чикаго изобрел двуплечный интерферо метр, названный впоследствии его именем. Интерферометр Майкельсона явля ется сегодня базовым конструкционным узлом всех современных ИК Фурьеспек трометров. В 1907 г. Майкельсон получил Нобелевскую премию в области физики за созданные им прецизионные оптические приборы и выполненные с их помо щью спектрометрические работы. Вообще говоря, свое начало Фурьеспектроскопия ведет от 1957 г., когда под руководством Пьера Жакино, пионера в области использования преобразования Фурье, состоялся международный коллоквиум на тему «Пути развития интерфе ренционной спектроскопии». Тогда еще никто ясно не представлял, как именно действует новый метод и какое значение будет иметь его дальнейшее развитие. Некоторые даже говорили, что такая техника никогда не будет работать и что до статочно рискованно осуществлять регистрацию спектров столь сложным и не прямым способом. Между тем уже в 1968 г. был создан первый коммерческий ИК Фурьеспектрометр.

5.2. Принцип ИКспектроскопии В интервале длин волн от 2,5 до 50 мкм происходит возбуждение колебательных движений атомов в молекуле и вращательного движения молекулы в целом. Спек тры, записанные в этой области, которая называется средней ИК, дают информа цию о строении молекул исследуемого вещества. Поскольку атомы способны ко лебаться абсолютно поразному, в ИКспектре обычно имеется большое число полос поглощения. Сравнивая спектр образца со спектрами из библиотеки – либо составленной самим пользователем, либо приобретенной в готовом виде, – мож но идентифицировать вещество, причем в настоящее время спектральный поиск ведется с помощью компьютерных программ. Атомы внутри молекулы находятся в движении благодаря наличию взаимных атомных связей. Они колеблются с определенными (резонансными) частотами, величина которых определяется атомным весом и силой химической связи. Изза очень малых размеров молекул резонансная частота составляет порядка 1013 с–1, что соответствует 10 миллиардам колебаний в секунду. Если сравнить это с коле банием пружины средней жесткости весом 1 кг, то такая пружина должна была бы колебаться с частотой около 1 с–1. Каждая молекула способна выполнять колебания множеством разных спосо бов. Чем больше атомов содержит молекула, тем больше вариантов колебаний существует. Формы колебаний определяются структурой молекулы и являются специфическими для нее. Частота инфракрасного излучения составляет тот же порядок величин, что и молекулярные колебания, – около 1013 с–1. Между ИКиз

5.2. Принцип ИКспектроскопии

141

лучением и молекулой возможны взаимодействия и перенос энергии, но только тогда, когда частота излучения идентична частоте собственных колебаний моле кулы. Если молекула поглощает это излучение, она колеблется при той же часто те, но с большей амплитудой. Таким образом, когда инфракрасное излучение с широким спектром частот проходит через пробу, то некоторые частоты поглощаются, в то время как прочие пропускаются без поглощения. Поглощенные частоты соответствуют собствен ным (резонансным) частотам молекулы либо целочисленному кратному этих ча стот. Нечто похожее происходит с монохромным светом, который поглощается только в том случае, если его частота идентична соответствующей резонансной частоте в молекуле. Когда молекула поглощает ИКизлучение, количество энергии в ней возрас тает, и она начинает колебаться более интенсивно. Но это возбужденное состоя ние длится совсем недолго. Очень скоро возбужденная молекула в результате стол кновений вновь отдает избыток своей энергии соседним молекулам, что прояв ляется в повышении температуры пробы.

5.2.1. Правила отбора Инфракрасное излучение поглощается только в том случае, если происходит вза имодействие изменяющегося в результате молекулярного колебания дипольного момента молекулы с колеблющимся вектором электромагнитного поля. Простое правило позволяет определить, когда именно наступает это взаимодействие и, следовательно, возникает поглощение: «Дипольный момент молекулы в одном экстремуме колебания должен отличать ся от дипольного момента в другом экстремуме этого колебания». Таким образом, условием возбуждения молекулы в результате поглощения электромагнитного излучения является то, что при изменении колебательного состояния молекулы одновременно должен изменяться и ее дипольный момент. Это означает, что все колебания, при которых изменяется дипольный момент, активны, а все колебания, не вызывающие изменения дипольного момента, не активны, то есть запрещены. Поскольку симметричные молекулы, такие как Н2 и N2, не обладают постоянным дипольным моментом и этот момент изза симмет рии распределения зарядов не возникает также и при колебании, то у таких моле кул колебательное возбуждение невозможно. Поэтому по определению нельзя получить ИКспектры некоторых классов веществ, среди которых: • • • •

инертные газы, соли без ковалентных связей (например, NaCl), металлы и двухатомные молекулы из одинаковых атомов (например, N2, O2, Cl2).

ИКспектроскопия находит применение прежде всего при анализе органи ческих соединений, но и неорганические соединения, включая соли с ковалент ными (атомными) связями (например, KMnO4), также можно проанализировать этим методом.

142

Глава 5. ИКспектроскопия

Прозрачные в ИКдиапазоне соединения тоже имеют определенное значение в инфракрасной спектроскопии. Вопервых, газы типа кислорода, азота или инер тные газы служат для продувки спектрометра, так как вода и углекислый газ как составные части воздуха сами поглощают излучение в ИКдиапазоне. Вовторых, в качестве держателя для пробы – а ранее для призменных монохроматоров – тре буются прозрачные для инфракрасного излучения материалы, и как раз для этой цели используются преимущественно щелочные галогениды.

5.3. ИКспектр Многоатомная молекула обладает большим числом всевозможных колебаний, в ко торых принимают участие все ее элементы. Некоторые из этих колебаний в первом приближении можно рассматривать как локальные, связанные с одиночными связя ми либо функциональными группами (локализованные колебания), в то время как другие воспринимаются как колебания всей молекулы в целом. Локализованные ко лебания могут быть валентными, ножничными, маятниковыми, крутильными или веерными. Метиленовая группа имеет, например, колебания, показанные на рис. 5.1. Валентные колебания связей атомов водорода поглощают при высоких частотах, что является следствием малой массы водорода. В иных случаях частоты валентных колебаний следуют правилу: тройные связи поглощают при более высоких частотах, чем двойные связи, а двойные – при более высоких частотах, чем простые одиноч ные связи. Следовательно, чем больше энергия связи между атомами, тем выше частота валентных колебаний. Деформационные колебания возникают при гораз до более низких частотах, обычно в области «отпечатков пальцев» ниже 1500 см–1. Многие локализованные колебания служат для идентификации функциональ ных групп. Органические молекулы складываются из небольшого числа струк турных элементов, каждый раз выступающих в какойто иной конфигурации, например >CH2, –CH3, –СOOH, –CH2OH, >CO и т.д. К счастью, взаимодействия между соответствующим структурным элементом и остальной частью молекулы

Симметричное

Асимметричное

Валентные колебания

«в плоскости» Ножничное

Маятниковое

«вне плоскости» Крутильное

Веерное

Деформационные колебания

Рис. 5.1. Возможные типы колебаний метиленовой группы

5.3. ИКспектр

143

довольно малы, то есть полосы поглощения, появляющиеся в связи с какимто элементом, всегда находятся – с небольшим отклонением – на том же самом уча стке спектра. Именно это позволяет определять структурные элементы по имею щемуся ИКспектру с привлечением соответствующих табличных данных. По точ ному положению спектральных полос можно судить о положении структурных элементов относительно друг друга. Большинство ИКспектрометров регистрируют спектры в линейной шкале ин тенсивности пропускания и в линейной шкале волновых чисел (волновое число ν ′ = 1/л [см–1]). Волновое число прямо пропорционально энергии колебания, по этому составные частоты колебаний можно вычислять путем простого сложения. Колебания скелета молекулы как целого имеют полосы поглощения с относи тельно низкой энергией менее 1500 см–1 (с длиной волны больше 6,7 мкм), и их рас положение специфично для каждой молекулы. Эти полосы часто перекрываются и затрудняют однозначное отнесение локализованных колебаний ниже 1500 см–1. Ча сто здесь наблюдаются полосы, вызванные не основными колебаниями, а состав ными или обертонами. Составные частоты возникают при наложении двух или бо лее колебаний. Иногда такие полосы имеют определенное значение для диагнос тики, но обычно особой пользы от них нет. Таким образом, инфракрасный спектр состоит из двух областей: • выше 1500 см–1 находятся спектральные полосы поглощения, которые мо гут быть отнесены к функциональным группам; • область ниже 1500 см–1 содержит множество спектральных полос, характе ризующих молекулу как целое. Этот участок по вполне понятным причи нам называют областью отпечатков пальцев. Указанная область отпечатков пальцев используется для установления иден тичности вещества с эталонным образцом. Пропускание

Волновое число А В С D Е

см–1

3400, 3300 2810, 2720 см–1 1700 см–1 1600 см–1 1515 см–1

NH ациклических вторичных амидов СН альдегидов Альдегид"С=О и амид Бензольное кольцо Амид и бензольное кольцо

Рис. 5.2. ИКспектр органического соединения

144

Глава 5. ИКспектроскопия

5.4. Интерпретация спектров Колебательные спектры возникают при переходах между дискретными энергети ческими состояниями колеблющихся и при этом излучающих молекул. Полный анализ всех полос колебательного спектра возможен только для небольших моле кул. Более крупные молекулы требуют создания упрощенной модели с отнесени ем спектральных полос, анализа спектров производных и проведения комплекс ных итерационных расчетов.

5.4.1. Теоретические основы ИКспектроскопии Основополагающий феномен колебательной спектроскопии легче всего просле дить на примере двухатомной молекулы, например НСl. В этом случае можно представить механическую модель двухатомной молекулы в форме гантели. Оба атома такой молекулы колеблются в направлении их связи относительно друг дру га, как два тела, соединенных пружиной. В нормальном состоянии оба атома на ходятся на равновесном расстоянии друг от друга r0. Когда под влиянием внешних факторов это расстояние изменяется (например, в результате растяжения или сжатия), то возникает сила, которая стремится вновь вернуть систему в первона чальное состояние. Под действием этой силы атомы начинают колебаться около своего равновесного положения.

5.4.1.1. Гармонический осциллятор Если усилие пружины пропорционально отклонению, то такое колебание назы вается гармоническим, то есть отклонение обоих атомов изменяется синусоидаль но со временем. Колебание двух масс можно описать математически – лучше на модели, где одна точка закреплена неподвижно, а другая колеблется. Такую экви валентную структуру называют осциллятором. Самая простая механическая модель гармонического осциллятора представ ляет собой точечную массу, закрепленную на конце спиральной пружины, кото рая может перемещаться в направлении оси х (рис. 5.3). Другой конец спираль ной пружины закреплен на стенке. Когда гармонический осциллятор под дей ствием внешней силы отклоняется из состояния покоя r0 на отрезок х, то этому

Рис. 5.3. Модель гармонического осциллятора (колеблющаяся точечная масса)

5.4. Интерпретация спектров

145

отклонению противодействует сила К, которая в этом случае пропорциональна величине отклонения х: K = –kx – закон Гука Величину k обозначают как силовую постоянную, или коэффициент упругос ти пружины. При этом возникает маятниковое движение, которое при отсутствии тормо жения будет постоянно происходить по обе стороны от точки состояния покоя. Для отклонения х этого колебания в зависимости от времени t из уравнения дви жения Ньютона (сила = масса ⋅ ускорение) следует: K = m⋅b = m⋅

d 2x = − k ⋅ x. dt 2

Решая данное дифференциальное уравнение, получаем в итоге выражение для частоты колебания ν точки с массой m: v=

1 2π

k . m

При такой модели гармонического осциллятора колеблется только одна точ ка массы. Но у молекул всегда колеблются два или больше атомов относительно друг друга. В этом случае для двухатомной системы расчет частоты колебаний дает выражение:

ν=

1 2π

k m ⋅m , где M = 1 2 , m1 + m2 M

причем М – это так называемая приведенная масса. Частота колебаний будет тем больше, чем выше прочность связи и чем меньше массы колеблющихся атомов. Частоты колебаний в молекулах составляют от 1013 до 1014 с–1. В теории колеба тельных спектров величина k называется силовой постоянной химической связи и является мерой прочности связи. В процессе колебаний изменяется потенциальная энергия осциллятора, ко торую можно вычислить следующим образом: Eпот =

1 k ⋅ x 2. 2

В положении равновесия (х = 0) потенциальная энергия, естественно, равна нулю. Если после отклонения от положения равновесия под действием силы K = –kx точка массы свободно перемещается назад, то она будет выполнять колебания вок руг равновесного положения, до тех пор, пока в результате трения или других при чин не отдаст свою энергию окружающей среде. Если выразить k через частоту колебания, используя приведенное выше урав нение, то будем иметь: Епот = 2π2 ⋅ М ⋅ ν2 ⋅ х2.

146

Глава 5. ИКспектроскопия

В результате мы получаем квадратичную функцию, которая описывает изме нение потенциальной энергии в зависимости от отклонения х из равновесного положения r0. Графически это уравнение представляет собой открытую параболу, вершина которой находится в равновесном положении r0. Все эти соотношения действительны для предельного случая классического колебания. Чем больше энергии поглощает такая система, тем больше становится амплитуда колебаний, и этот процесс ничем не ограничен. Но атомные системы могут поглощать лишь дискретные количества энергии, поскольку их энергия имеет только дискретные собственные значения. Так как молекулярный осциллятор поглощает излучение только дискретны ми порциями, то и отклонение изменяется при этом скачкообразно. Минималь ное количество квантованной энергии, поглощаемой молекулярным осциллято ром, равно hν либо кратно этой величине. Рассмотрение колебаний с точки зре ния квантовой механики приводит к следующему выражению для колебательной энергии гармонического осциллятора: 1⎞ ⎛ Екол = hν ⎜ v + ⎟ . 2⎠ ⎝

Величина v называется колебательным квантовым числом и может принимать все целочисленные значения 0, 1, 2, 3 … В основном состоянии v = 0, в первом возбужденном состоянии v = 1 и т.д. Как видно из рис. 5.4, для v = 0 колебатель ная энергия тоже не равна нулю, а имеет значение 1/2hν. Существование этой нулевой потенциальной энергии, которая не может быть израсходована, с точки зрения классической механики объяснения не имеет. Согласно положениям квантовой механики для возбуждения молекулярных колебаний необходимы два условия. • Для гармонического осциллятора допустимы колебания, при которых ко лебательное квантовое число v изменяется на 1. Следовательно, возможен переход с уровня v = 1 на v = 2 и энергия этого перехода идентична энергии основного перехода с v = 0 на v = 1. Невозможны (запрещены) для гармо нического осциллятора переходы с v = 0 на v = 2. • Колебание может возбуждаться, только если при колебании в молекуле из меняется дипольный момент. Величина изменения дипольного момента Энергия

Отклонение х

Рис. 5.4. Кривая потенциальной энергии гармонического осциллятора

5.4. Интерпретация спектров

147

определяет вероятность возбуждения и коэффициент экстинкции соответ ствующих колебательных полос. Таким образом, схема спектральных термов колебательной энергии гармони ческого двухатомного осциллятора состоит из равноудаленных друг от друга энер гетических уровней, расстояния между которыми равны hν. Эти правила отбора и понятие равноудаленности энергетических уровней справедливы только в отно шении гармонического осциллятора.

5.4.1.2. Ангармонический осциллятор Модель гармонического осциллятора годится лишь для грубого описания молеку лярных колебаний. Так как речь идет о синусоидальном колебании, данная модель • допускает, что расстояние между ядрами двух атомов может стать равным нулю или даже отрицательным, • не учитывает, что колебания очень высокого возбуждения способны при вести к разрушению связи (диссоциации). Следовательно, реальная молекула не является гармоническим осциллятором. Так, амплитуда колебаний не может становиться сколь угодно большой. Если меж атомное расстояние превышает определенный предел, наступает диссоциация. С другой стороны, при сжатии сила сопротивления гораздо больше той, которая возникает при растяжении на ту же величину. Модель гармонического осцилля тора справедлива только для совсем небольших амплитуд, то есть исключительно для низших колебательных состояний. Истинная кривая потенциальной энергии ангармонического осциллятора не является параболой. При большей удаленнос ти от равновесного состояния, отклонения от линейности закона изменения силы связи весьма значительны, и система приближается к предельному значению энер гии диссоциации. При встречном движении атомов кривая потенциальной энер гии оказывается более крутой изза очень резкого отталкивания ядер. Для коррекции ангармоничности П.М. Морзе ввел в уравнение для колеба тельной энергии дополнительные эмпирические члены более высокой степени: 2

1 ⎞ h2ν 2 ⎛ 1⎞ ⎛ E = hν ⎜ v + ⎟ − ⎜v + ⎟ . 2 ⎠ 4D ⎝ 2⎠ ⎝

Из этого уравнения вытекают следующие условия. • Расстояния между термами уже не одинаковы. Они уменьшаются при при ближении к энергии диссоциации D, которая может быть определена на основании спектроскопических данных. • Правило отбора ∆ν = ±1 уже не действует исключительно во всех случаях. Теперь разрешены также переходы с ∆ν = ±2, ±3 …, но интенсивность их резко убывает. В отличие от энергии возбуждения вращательного движения, энергия возбуж дения атомных колебаний обычно значительно превышает тепловую энергию молекул при комнатной температуре. Это означает, что в нормальных условиях колебания атомов термическим путем практически вообще не возбуждаются.

148

Глава 5. ИКспектроскопия

Наблюдаемое поглощение осуществляются только при переходах с низшего ко лебательного уровня (v = 0). С этого уровня возможны переходы непосредствен но во все вышележащие колебательные состояния, но вероятность этих перехо дов при возрастании v резко снижается. Для характеристики перехода принято указывать колебательное квантовое число начального и конечного состояний, различая следующие типы колебаний: v=0–v=1 v=0–v=2 v=0–v=3

основное колебание первый обертон второй обертон

Самое интенсивное поглощение соответствует переходу с v = 0 на v = 1 и обо значается как основные колебания. Обертоны значительно менее интенсивны и в соответствии с их более высокой энергии возбуждения находятся в коротковолно вой области спектра. Для возбуждения первого обертона требуется примерно двой ная энергия основного колебания, для возбуждения второго обертона – тройная энергия основного колебания (см. рис. 5.5). Однако колебательный переход не состоит, как уже упоминалось в гл. 2, из отдельных абсорбционных линий для отдельных колебательных состояний, а со провождается вращательными переходами, для которых изза разных исходных вращательных состояний существует масса возможностей. Очевидно, что при ком натной температуре вращение молекул уже возбуждено тепловой энергией, так что поглощение может осуществляться и для вращательных термов с более высо кой заселенностью. Таким образом, на схему колебательных термов накладывается схема враща тельных термов. Каждый колебательный переход с v = 0 на v = 1 связан с одновре менным изменением вращательного квантового числа ∆J = ±1. Это значит, что из каждого вращательного уровня нижнего колебательного состояния возможны оба перехода: на следующий более низкий или следующий более высокий вращатель ные уровни. При этом чисто колебательный переход с ∆J = 0 запрещен. Линия по глощения, соответствующая переходу без изменения вращательного квантового числа, так называемая 00линия, в спектре отсутствует. Такую вращательную струк туру удается наблюдать исключительно в газовой фазе. В этом случае в спектре на блюдается система линий, распадающаяся на две части. Со стороны коротких волн располагаются в соответствии с более высокой разницей в энергиях переходы так Энергия Энергия диссо" циации

Отклонение х

Рис. 5.5. Кривая потенциальной энергии ангармонического осциллятора

5.4. Интерпретация спектров

149

Энергия Вращательные уровни возбужденного колебательного состояния v = 1

Вращательные уровни основного колебательного состояния v = 0

Пропускание, %

Отсутствующий 0"0"переход

Волновое число, см–1

Рис. 5.6. Вращательноколебательный спектр HCl

называемой Rветви с ∆J = +1, при которых энергия вращательного перехода сум мируется с энергией возбуждения колебания. С длинноволновой стороны находится Рветвь, чьи переходы с ∆J = –1 осуществляются с более высоких на более низкие вращательные уровни. В этом случае энергия возбуждения колебания уменьшена на величины вращательной энергии. Между двумя этими ветвями нулевая линия отсутствует. На рис. 5.6 в качестве примера представлен спектр HCl в газообразном состоянии. Распределение интенсивностей в пределах обеих ветвей определяется заселенностью вращательных уровней в основном колебательном состоянии. В заключение можно сказать следующее. • Колебательный переход всегда сопряжен с изменениями вращательных уровней, и поэтому в спектре мы наблюдаем полосы колебаний с враща тельной структурой. • Тонкую вращательную структуру, когда каждая полоса спектра поглощения разделяется на множество отдельных узких спектральных полос, можно наблюдать только в спектрах газов. • В конденсированной фазе вращательная структура сливается в одну полосу поглощения, то есть в случае жидких и твердых образцов в спектре погло щения наблюдается всего одна широкая полоса.

150

Глава 5. ИКспектроскопия

5.4.1.3. Многоатомные молекулы В многоатомных молекулах анализ колебательных спектров сильно затруднен тем обстоятельством, что здесь атомы принимают участие одновременно в нескольких разных колебаниях. Движение атомов внутри молекулы представляет собой чрез вычайно сложный процесс. Для линейных и нелинейных молекул, состоящих из N атомов, существует разное число колебательных степеней свободы. Линейная мо лекула имеет 3N – 5, а нелинейная 3N – 6 степеней свободы. Количество колеба тельных степеней свободы равно числу собственных колебаний молекулы. Каждое из этих собственных колебаний имеет характеристическую собственную частоту и в результате поглощения может возбуждаться в определенном частотном диапазо не ИКобласти спектра. Следовательно, колебательный спектр многоатомных моле кул состоит из множества полос. Теоретическая трактовка колебательных процессов в многоатомных молекулах является очень сложной, иногда даже невозможной. Для классификации колебаний принято простое разделение их на валентные и деформационные. • Валентные колебания осуществляются в направлении связи атомов и при водят к изменению межатомных расстояний. • Деформационные колебания изменяют валентный угол, а межатомные рас стояния остаются неизменными. Для изменения длины связи требуется усилие примерно в 10 раз больше, чем для изменения угла между связями, поэтому деформационные колебания всегда находятся в более длинноволновой спектральной области, чем валентные коле бания.

5.4.2. Эмпирический подход к интерпретации спектров Полный теоретический анализ колебательных спектров имеет смысл проводить только для простых симметричных молекул. При чрезмерно большом количестве веществ в смеси анализировать спектр подобным способом представляется неце лесообразным. Трудности такого рода стали поводом для создания эмпирическо го метода интерпретации колебательных спектров многоатомных молекул Сложная молекула имеет массу возможностей для колебаний, в которых при нимает участие вся молекула в целом. Однако некоторые из этих колебаний в пер вом приближении ограничены одиночными связями или функциональными груп пами. Это значит, что многие функциональные группы имеют спектральные по лосы поглощения, относительно независимые от остальной части молекулы. Они всегда занимают одинаковое положение в спектре и имеют ту же форму. Такие полосы называются характеристическими групповыми частотами и имеют боль шое значение для структурного анализа при идентификации функциональных групп в молекуле. В коротковолновой области спектра от 3700 до 2800 см–1 находятся валентные колебания атомов водорода, связанных с углеродом, азотом и кислородом. На участке от 2400 до 1900 см–1 к ним примыкает область валентных колебаний трой ной связи. Далее следует область валентных колебаний двойных связей. Но ука

5.4. Интерпретация спектров

151

занные диапазоны нельзя рассматривать как жесткую схему, так как здесь воз можны и другие варианты. В области ниже 1500 см–1 ясности еще меньше. Тут появляются колебания простых связей, многочисленные деформационные колебания и валентные ко лебания тяжелых атомов, например в галогенированных углеводородах. За исклю чением небольшого числа достаточно интенсивных полос поглощения, распо знавание колебаний в области ниже 1500 см–1 сильно затруднено изза большого разнообразия колебаний в многоатомных молекулах. Таким образом, далеко не все частоты, присутствующие в колебательном спек тре молекулы, могут быть отнесены к совершенно определенным связям или атом ным группам. Возникают и такие колебания, которые не локализованы на отдель ных фрагментах, но охватывают все атомы в молекуле или большее их число. Та кие колебания характерны для всей молекулы в целом. Эти так называемые «ске летные» колебания чрезвычайно чувствительны к структурным изменениям. Поэтому все, даже очень похожие молекулы – за исключением оптических изо меров – имеют разные колебательные спектры. Эти нелокализованные колеба ния служат для идентификации вещества при сравнении со спектрами известных соединений, а также для определения его чистоты. Строго локализованное, не связанное с остальной частью молекулы колеба ние представляет собой идеализированный крайний случай, который едва ли встречается в реальности. В ограниченном масштабе всегда имеет место взаимо действие между двумя частями молекулы, которое, так или иначе, влияет на ха рактеристические частоты. Поэтому характеристические частоты не обязательно проявляются точно в одном и том же месте спектра, но их положение изменяется в определенных границах. Это смещение характеристических частот весьма по лезно для проведения структурных исследований, так как позволяет сделать не которые выводы о строении остальной части молекулы. Влияние структурных изменений в молекуле на частоты колебаний карбониль ной группы С=О можно проследить на примерах, приведенных в табл. 5.1. Ин тенсивность полос поглощения карбонильной группы всегда достаточно велика, причем карбоновые кислоты поглощают сильнее эфиров, а эфиры, в свою оче редь, поглощают сильнее кетонов и альдегидов. Чем большей электроотрицатель ностью обладает группа Х в системе R–CO–X, тем выше будет частота колеба ния. Чем сильнее сопряжение связи С=О, тем в большей степени она ослаблена, а валентное колебание сдвинуто в сторону меньших волновых чисел. В α, βне предельных соединениях оно понижено на 15–40 см–1. В циклических соедине ниях напряженность цикла вызывает довольно значительное смещение полос в сторону более высоких частот. По сдвигу частот можно точно отличить четырех и пятичленные циклические кетоны от соединений с более высокими циклами. При образовании водородной связи частота колебания карбонильной группы сдвигается в длинноволновую область на 40–60 см–1. Этот эффект проявляется, например, в спектрах карбоновых кислот и амидов. Следует заметить, что в разных агрегатных состояниях существуют различные межмолекулярные взаимодействия, которые оказывают влияние на структуру и положение полос в спектре, а также на их интенсивность. В газообразном ацетоне

152

Глава 5. ИКспектроскопия

Òàáëèöà 5.1. Ïðèìåðû ÷àñòîò ïîãëîùåíèÿ äëÿ êàðáîíèëüíîé ãðóïïû Ñïåêòðàëüíàÿ ïîëîñà, ñì–1

Ãðóïïà Àëüäåãèäû

íàñûùåííûå àðèëàëüäåãèäû α-, β-íåïðåäåëüíûå

1740–1720 1715–1695 1705–1680

Êåòîíû

íàñûùåííûå àðèëêåòîíû α-, β-íåïðåäåëüíûå öèêëîïðîïèëêåòîíû â ÷åòûðåõ÷ëåííîì öèêëå â ïÿòè÷ëåííîì öèêëå

1725–1705 1700–1680 1685–1665 1705–1685 1780 1750–1740

Êàðáîíîâàÿ êèñëîòà

íàñûùåííàÿ àðèëêàðáîíîâàÿ êèñëîòà α-, β-íåïðåäåëüíàÿ

1725–1700 1700–1680 1715–1690

Àìèäû

ïåðâè÷íûå âòîðè÷íûå òðåòè÷íûå

1690–1650 1700–1630 1670–1630

Êèñëîòíûå àíãèäðèäû

íàñûùåííûå àðèëàíãèäðèäû α-, β-íåïðåäåëüíûå

1790–1740 1830–1780 1770–1710

можно обнаружить полосу поглощения карбонильной группы с частотой 1742 см–1, в то время как в жидком ацетоне изза слабой ассоциации диполей эта частота рав на 1718 см–1. Как уже упоминалась ранее, особенностью спектров газообразных проб является наличие тонкой вращательной структуры полос поглощения. В растворенных пробах растворитель может оказывать влияние на положение полос. Полярные растворители, в которых существует активное взаимодействие растворенного вещества с растворителем, способны вызывать заметное смеще ние полос в спектре. Однако такое смещение происходит только в случае колеба ний полярных связей. Переход в твердое состояние также обусловлен ростом меж молекулярных взаимодействий и сдвигом частот, который обычно составляет око ло 10 см–1 по сравнению с жидким состоянием. К тому же в твердом состоянии при определенных обстоятельствах некоторые полосы могут просто исчезнуть, зато могут появиться и новые. Полный анализ структуры неизвестного вещества только на основе его инф ракрасного спектра сделать невозможно. В результате соответствующей расшиф ровки спектра обычно получают достаточно важную информацию о функциональ ных группах, что уже позволяет значительно сократить число возможных в дан ном случае соединений. Собственно идентификация осуществляется затем путем сравнения полученного спектра со спектрами хорошо известных веществ. Подводя итоги сказанному, можно сделать следующие выводы. • Опираясь на известные данные по частотам поглощения отдельных групп атомов, можно идентифицировать их в молекулах по ИКспектрам. • Конкретное положение характеристических полос поглощения локальных фрагментов позволяет сделать определенные выводы о строении остальной части молекулы. • Скелетные колебания характеризуют всю молекулу в целом и используют ся для идентификации вещества при сравнении его спектра со спектром эталона.

5.4. Интерпретация спектров

153

Для эмпирической расшифровки инфракрасных спектров многими авторами предлагаются таблицы характеристических частот в различной форме. В табл. 5.2 представлен наиболее известный вариант – так называемая карта Колтупа. Здесь по оси абсцисс отложены волновые числа или, соответственно, длины волн, а по оси ординат расположены отдельные классы веществ. Частоты, характерные для этих веществ, показаны в виде широких горизонтальных линий, рядом с которы ми указаны условные обозначения примерной интенсивности полос поглощения (s – сильные, m – средние, w – слабые). Как было показано выше, каждый локальный фрагмент молекулы имеет не сколько колебаний разной формы. Это означает, что для данной функциональной группы в спектре будет наблюдаться несколько характеристических полос. При идентификации атомной группировки нельзя полагаться только на однуединствен ную характеристическую частоту потому, что при разном расположении атомов от дельные области поглощения могут полностью перекрываться, но все – никогда. С другой стороны, отнюдь не каждая приведенная в табл. 5.2 область поглощения одинаково важна для распознавания структуры. При проведении исследований та кого рода надо опираться в первую очередь на те частоты поглощения, которые по чти всегда имеют однозначное отнесение – или изза своего положения в спектраль ной области, где появляется мало других полос поглощения, или благодаря своей высокой интенсивности. После этого можно попытаться подтвердить полученный результат и по другим частотам, однозначное отнесение которых не всегда возможно. Основное правило гласит: отсутствие характеристической полосы какогото элемента структуры в заданной для этого области является достаточно надежным доказательством отсутствия этого элемента. Наличие же соответствующей поло сы поглощения только тогда может служить доказательством существования в молекуле определенной группы атомов, когда оно подтверждено и другими час тотами, характерными для данной группы. Òàáëèöà 5.2. Äèàãðàììà õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ см–1

Монозамещенный бензол Нафталин Алифатический эфир Ароматический эфир Первичный спирт Ароматический спирт Карбоновые кислоты Формиат Бензоат Алифатический альдегид Ароматический альдегид Алифатический кетон Ароматический кетон Амид

154

Глава 5. ИКспектроскопия

5.5. Приборы и оборудование для регистрации ИКспектров В качестве источника излучения в ИКспектроскопии чаще всего используют так называемый штифт Нернста или стержень из карбида кремния («глобар»), кото рые нагреваются электрическим током. Штифт Нернста состоит из смеси окси дов циркония, церия, тория и иттербия и предназначен для спектральной облас ти от 5000 до 400 см–1, однако он очень быстро изнашивается под действием меха нических нагрузок. Нагретый до 950 °С глобар обладает достаточно интенсивным и стабильным излучением вплоть до 200 см–1 и ниже. Излучение достаточно вы сокой мощности порядка 100 мВт особенно необходимо при использовании энер гозатратных методик, к которым относятся, в частности, ИКмикроскопия, из мерения в условиях отражения света и особенно сочетание газовой хроматогра фии с ИК Фурьеспектроскопией. Все оптические материалы (линзы, кюветы, а ранее – призмы) должны быть прозрачны для ИКизлучения. Стекло и кварц для этой цели не годятся, посколь ку они не пропускают инфракрасные лучи. Для используемых прежде призмен ных монохроматоров призмы изготовлялись из монокристаллов щелочных гало генидов (NaCl, CaF2, LiF). Со временем эти водорастворимые и гигроскопичные материалы в монохроматорах удалось заменить дифракционными решетками. Òàáëèöà 5.3. Ñâîéñòâà îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ Ìàòåðèàë

Îáëàñòü ïðîïóñêàíèÿ (50%) ìêì

Êâàðöåâîå ñòåêëî

ñì

Ïðèìå÷àíèÿ

–1

0,25–3,3

40 000–3000

LiF

0,12–7,0

83 000–1400

Ñëåãêà ðàñòâîðèì â âîäå

CaF2

0,13–11,0

77 000–900

Îòíîñèòåëüíî íåðàñòâîðèì â âîäå, óñòîé÷èâ ê áîëüøèíñòâó êèñëîò è ùåëî÷åé

NaCl KCl

0,25–16 0,30–20

40 000–625 33 333–500

Ðàñòâîðèì â âîäå è ñïèðòå, ñ ó÷åòîì ïðîïóñêàíèÿ è íåâûñîêîé öåíû øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ ÈÊ-îêîí

AgCl AgBr

0,4–30 0,45–30

25 000–333 22 222–333

Íåðàñòâîðèì â âîäå, ðàñòâîðèì â êèñëîòàõ è NH4Cl, ÷óâñòâèòåëåí ê ÓÔ èçëó÷åíèþ

KBr

0,23–25

43 500–400

Õîðîøî ðàñòâîðèì â âîäå, ñïèðòå è ãëèöåðèíå, íåìíîãî ðàñòâîðèì â ýôèðå, ãèãðîñêîïè÷åí

CsBr

0,24–40

41 666–250

Ðàñòâîðèì â âîäå è êèñëîòàõ, ÷ðåçâû÷àéíî âûñîêî ãèãðîñêîïè÷åí

ZnSe

0,5–20

20 000–500

Îòíîñèòåëüíî íåðàñòâîðèì â âîäå, óñòîé÷èâ ê õèìðåàêòèâàì, îðãàíè÷åñêèì êèñëîòàì, ðàçáàâëåííûì êèñëîòàì è îñíîâàíèÿì, èäåàëüíî ïîäõîäèò äëÿ ÍÏÂÎ

2–18

5000–555

Íåðàñòâîðèì â âîäå, ðàñòâîðèì â ãîðÿ÷åé ñåðíîé êèñëîòå è àììèàêå, ïðèãîäåí äëÿ ÍÏÂÎ

0,6–38

16 666–263

Ñëåãêà ðàñòâîðèì â âîäå, ðàñòâîðèì â ùåëî÷àõ, íå ãèãðîñêîïè÷åí, âûñîêîòîêñè÷åí, èäåàëüíî ïîäõîäèò äëÿ ÍÏÂÎ

Ge

KRS-5

5.5. Приборы и оборудование для регистрации ИКспектров

155

Свойства некоторых оптических материалов, которые находят применение в ИК спектроскопии, приведены в табл. 5.3. Для определения интенсивности инфракрасного (теплового) излучения при меняются способы, позволяющие быстро и с высокой чувствительностью прово дить измерения температуры. В качестве детекторов в ИКспектрометрах раньше использовали термоэлементы или ячейку Голея. Тепловое расширение газа, кото рым заполнена ячейка Голея, деформирует мембрану, и эта деформация фиксиру ется с помощью светового указателя. Кроме «медленных» детекторов на основе термоэлементов или ячейки Голея, существуют и быстродействующие пироэлектрические. В этом качестве в ИКспек трометрах отлично зарекомендовали себя высокочувствительные, работающие в смежных областях спектра детекторы из InSb и HgCdTe. При наложении их друг на друга получают детектор, так сказать сэндвичструктуры, покрывающий ши рокую спектральную область от 1 до 18 мкм. При температуре ниже точки Кюри сегнетоэлектрические вещества типа три глицинсульфата с примесью дейтерированного Lаланина (ДЛАТГС) способны к сильной мгновенной электрической поляризации под действием инфракрасного излучения, когда температура такого кристаллического материала изменяется. Изменение поляризации можно измерить в виде электрического сигнала, если с обеих сторон на поверхности кристалла разместить электроды для образования конденсатора. Этот эффект аналогичен пьезоэлектрическому, когда механичес кое давление на кристалл вызывает электрическое напряжение в пределах его поперечного сечения. Генерируемое на электродах детектора напряжение возрас тает пропорционально температуре. Таким способом формируется сигнал, кото рый линейно зависит от энергии попадающего на детектор излучения. Заметное повышение отношения сигнал/шум достигается при использовании охлаждаемого высокочувствительного фотодиодного детектора на основе твердого раствора HgCdTe (русское сокращение КРТ, поанглийски МСТ). Интенсивность поглощения измеряется, как правило, в процентах пропуска ния (прозрачности). В этом случае области поглощения проявляются в получен ном спектре в виде минимума. Положение полос указывается либо как длина вол ны λ (в мкм), либо как волновое число ν ′ (в см–1), которое определено следующим образом:

ν ′ = 1/λ. Из этих двух способов предпочтение отдается шкале волновых чисел, так как волновые числа, в отличие от длин волн, прямо пропорциональны энергии воз буждения соответствующих колебательных переходов. В этом случае одинаковые интервалы в спектре соответствуют одинаковым разностям энергий. Таким обра зом, при использовании шкалы волновых чисел удается достаточно легко распо знавать полосы поглощения, относящиеся к обертонам и составным колебани ям. При регистрации в шкале длин волн это невозможно. Волновые числа в боль шинстве случаев не совсем точно называют частотами колебаний, хотя они отли

156

Глава 5. ИКспектроскопия Пропускание, %

Волновое число, см–1

Рис. 5.7. ИКспектр полистирола

чаются от собственно частот множителем 1/с. На рис. 5.7 приведен в качестве примера инфракрасный спектр полистирола.

5.5.1. Традиционные ИКспектрометры До внедрения ИК Фурьеспектроскопии самыми популярными в химикоана литических лабораториях были дисперсионные спектрометры с дифракцион ным монохроматором, сменившие, в свою очередь, приборы с призменными монохроматорами. Приборы с дифракционными решетками позволяют полу чать вполне приемлемые для исследовательских целей и в стандартной анали тике ИКспектры в диапазоне от 5000 см–1 (2 мкм) до 200 см–1 (50 мкм), но при этом чувствительность, характеристика шумов и фотометрическая точность не всегда отвечают предъявляемым требованиям. Для калибровки волновых чисел часто прибегают к записи спектра пленки полистирола, частоты колебаний ко торого хорошо известны, и по ним можно проверить воспроизводимость шкалы волновых чисел. В традиционной ИКспектроскопии излучение источника после взаимодей ствия с образцом разлагается в спектр с помощью одной либо нескольких ди фракционных решеток и затем последовательно регистрируется при разных волно вых числах. Выделение определенного спектрального интервала осуществляется с помощью щели, причем ширина щели и параметры решетки определяют степень разрешения. На практике работают обычно с разрешением от 20 до 0,5 см–1. Для регистрации спектров используются чаще всего двухлучевые спектрометры. В этом случае в канал сравнения помещается кювета с чистым растворителем или плас тинка из KBr без пробы вещества. В приборах первого поколения детектор применялся в качестве так называе мого нульинструмента, когда интенсивность пучка сравнения ослаблялась за счет перемещения заслонки до тех пор, пока детектор не показывал для обоих лучей одинаковое напряжение. В этом случае положение заслонки определяло степень поглощения анализируемого вещества и выводилось в форме сигнала на самопи шущее устройство.

5.5. Приборы и оборудование для регистрации ИКспектров

157

Чувствительность дисперсионных приборов удалось существенно повысить за счет введения системы электронного измерения соотношения интенсивностей пучков. Такой принцип измерения не связан с ослаблением пучка сравнения с помощью гребенчатой заслонки (клина) или других механических устройств. Интенсивность излучения, прошедшего через образец, и интенсивность пучка сравнения попеременно создают на детекторе сигналы разного уровня. Величина пропускания в каждом цикле прерывания формируется электронноцифровым способом как отношение интенсивности излучения пробы к интенсивности срав нительного пучка. Подобный принцип уже давно используется в спектроскопии УФ и видимой областей. В инфракрасной же спектроскопии его применение было возможно сначала только при использовании дорогостоящей электроники, так как детекторы реагировали на изменение сигнала очень медленно. Разработка быстродействующих пироэлектрических приемников теплового излучения позво лила отказаться от дорогой электроники и начать выпуск высокоэффективных ИКспектрометров по вполне приемлемой цене [5.2]. Поскольку содержащийся в воздухе углекислый газ и вода обладают сильным поглощением в ИКдиапазоне, этому фактору приходится уделять особое внима ние при конструировании спектральных приборов. В двухлучевых ИКспектро метрах поглощение воды и углекислого газа, которые присутствуют одновремен но в обоих каналах, компенсируется, если длина пути излучения в канале образца и в канале сравнения строго одинаковы. И все же при проведении точных анали зов в любом случае рекомендуется прибегать к дополнительной продувке прибо ра сухим азотом.

5.5.2. ИК Фурьеспектрометры Благодаря использованию принципа преобразования Фурье в инфракрасной спек троскопии, который позволяет достичь определенных преимуществ в быстроте, чувствительности и точности метода, были значительно расширены области при менения ИКспектроскопии [3.5]. Для ИК Фурьеспектроскопии уже не являет ся проблемой применение техники диффузного отражения для исследования по рошков, анализ сильно поглощающих образцов и количественный анализ в вод ных растворах. Классические дисперсионные приборы не отличаются высокой чувствительностью и обладают лишь ограниченной воспроизводимостью по вол новым числам и интенсивности поглощения. ИК Фурьетехника не имеет подоб ных ограничений. Прорыв ИК Фурьеспектрометров в категорию цен, принятых до сих пор для недорогих традиционных устройств, стал замечательным событием на рынке пос ледних лет. Современная ИКспектроскопия уже представляется нераздельно свя занной с принципом преобразования Фурье. Благодаря лучшим (на порядок!) пределам обнаружения и быстроте регистрации спектров, в сочетании с воз можностями ПК, были открыты области применения, абсолютно недоступные для дисперсионного оборудования. ИК Фурьеспектрометры, без разложения света на составляющие частоты, с по мощью интерферометра Майкельсона генерируют интерференционный сигнал –

158

Глава 5. ИКспектроскопия

интерферограмму, которая в результате частотного анализа (преобразования Фу рье) преобразуется в спектр. Конечно, интерферометр Майкельсона известен еще с начала ХХ века, но поскольку результат измерения подлежит математическому преобразованию в интересующий аналитика спектр, то выполнение столь слож ной процедуры стало возможно только с появлением современной вычислитель ной техники.

5.5.2.1. Интерферометр Майкельсона Важными элементами конструкции интерферометра являются неподвижное и подвижное зеркала и светоделитель. Светоделитель расщепляет поступающее от источника излучение на две равные части, которые направляются в разные сто роны. Одна часть света попадает на неподвижное зеркало, другая – на подвижное (сканер). После отражения зеркалами обе части излучения вновь объединяются тем же самым светоделителем. На оптическом пути между светоделителем, об разцом и детектором оказывается излучение из обоих плеч интерферометра. На рис. 5.8 представлена принципиальная схема Фурьеспектрометра. Если расстояния обоих зеркал от светоделителя равны, то, независимо от длины вол ны, возникает интерференционный максимум (конструктивная интерференция). В таком положении наблюдается максимальный сигнал (позиция белого света). Если зеркало отклоняется от равновесного положения, то в результате деструк тивной интерференции сигнал быстро затухает. Результатом измерения является функция зависимости интенсивности излучения от изменения длины пути ∆s подвижного зеркала. Эта функция называется интерферограммой. Запись интерферограммы осуществляется в результате перемещения подвиж ного зеркала в прямом и обратном направлениях. Соответствующее положение этого зеркала точно определяется с помощью лазера. Интерферограмма, пред ставленная на рис. 5.9, пересчитывается в собственно инфракрасный спектр с помощью Фурьепреобразования. Весь процесс, включающий в себя два этапа – Интерферометр Подвижное плоское зеркало

Источник ИК"излучения Лазерный детектор

Неподвижное плоское зеркало Приемник ИК"излучения Светоделитель

Вогнутое зеркало с отверстием по центру для прохождения лазерного луча

Вогнутое зеркало Камера образца

Лазер Плоское зеркало лазера

Рис. 5.8. Компоненты ИК Фурьеспектрометра

5.5. Приборы и оборудование для регистрации ИКспектров

159

Рис. 5.9. Интерферограмма

запись интерферограммы и преобразование Фурье, занимает, в зависимости от возможностей прибора и производительности используемого компьютера, всего доли секунды. При технике ускоренного сканирования (rapidscan) спектры сни маются в стремительной последовательности, причем в точках возврата сканер должен получать максимальное ускорение. Скоростная ИК Фурьеспектроско пия успешно используется для изучения механизмов реакций [5.4].

5.5.2.2. Достоинства ИК Фурьеспектрометра Учитывая, что интерферометр в качестве внутреннего стандарта длины волны все гда использует высокопрецизионный гелийнеоновый лазер, можно выделить четыре основных достоинства данного спектрального метода. • Мультиплексность: все длины волн одновременно регистрируются детек тором. • Высокая светосила: во много раз больший световой поток поступает от ис точника излучения через пробу к детектору. • Лазер как эталон: все длины волн автоматически соотносятся с HeNeла зером как внутренним стандартом. • Накопление спектров: благодаря экспрессной записи интерферограмм мож но за счет аккумуляции значительно улучшить отношение сигнал/шум в спектрах. Для сканирования спектра подвижное зеркало в зависимости от требуемого разрешения перемещается на определенное расстояние. Разрешение интерфе рометра определяется как величина, обратная длине пути зеркала (1/∆s). При длине пути 1 см разрешение равно 1 см–1. У высокоэффективных устройств с длиной пути зеркала 10 см достигается разрешение 0,1 см–1. Такое разрешение пригодно для регистрации вращательноколебательных спектров газов. Для кон троля качества жидких и твердых образцов обычно бывает достаточно разреше ния от 1 до 4 см–1. Скорость перемещения зеркала находится при этом в диапазоне от 0,1 до 1 см в секунду. С помощью техники быстрого сканирования достигаются гораздо бо лее высокие скорости, позволяющие измерять до 100 спектров в секунду. С тех никой пошагового сканирования (stepscan) можно вести запись интерферограм мы с нарастающим во времени разрешением. Зеркало при этом перемещается

160

Глава 5. ИКспектроскопия

совсем мелкими шагами. При каждом шаге проводится регистрация сигнала, ко торая длится всего несколько микросекунд. Когда зеркало таким образом прой дет весь путь, полученные данные обрабатываются с учетом всех отдельных ин тервалов измерения соответствующей полной интерферограммы, преобразуемой затем в спектр [5.5]. Наряду с высоким разрешением еще одно достоинство интерферометра со стоит в том, что во время измерения регистрируется одновременно весь спектр длин волн (преимущество мультиплексности). Если обычные приборы регистри руют только малый участок спектра в течение короткого времени, теряя при этом очень много энергии на узкой входной щели, которая необходима для хорошего разрешения, то при методике с Фурьепреобразованием на протяжении всего пе риода регистрации измеряются одновременно все длины волн при значительно большей апертуре. Это дает существенное увеличение энергии, которая возрастает еще и потому тому, что вместо щелей входное отверстие интерферометра имеет круглую форму (преимущество в светосиле). Подобное увеличение энергии приводит к увеличе нию чувствительности и сокращению времени регистрации спектра. Если на типо вой анализ с применением традиционного спектрометра потребуется около 20 ми нут, то тот же анализ с помощью интерферометра будет выполнен за несколько секунд. Современный уровень техники ИК Фурьеспектроскопии позволяет ре гистрировать до 50 спектров всего за одну секунду. Благодаря сверхбыстрой реги страции многочисленные интерферограммы накапливаются и усредняются, что позволяет улучшить отношение сигнал/шум. После этого в спектр преобразуется только усредненная интерферограмма. Так как светосила интерферометра по сравнению с дифракционным моно хроматором значительно больше, а быстрая регистрация и накопление позволя ют улучшить отношение сигнал/шум, то и чувствительность Фурьеспектромет ров на два, а то и три порядка выше, чем в традиционной ИКспектроскопии [5.6]. Большинство Фурьеспектрометров – однолучевые приборы, поэтому опти ческая компенсация атмосферных помех (СО2 и вода) здесь невозможна. Исполь зуя преимущество быстрой регистрации спектров, в данном случае поступают иначе: записывают сначала спектр «сравнения», то есть без пробы, сохраняют его в памяти ПК и затем вычитают из измеренного спектра пробы. Тем не менее на стоятельно рекомендуется все же продувать сухим азотом камеру образца или уда лять из нее воздух с помощью вакуумного насоса. В связи с этим сейчас наблюда ется четкая тенденция к переходу на более дорогие ИК Фурьеспектрометры, ра ботающие по двухлучевой схеме.

5.5.3. Качественный анализ Инфракрасный спектр можно зарегистрировать практически для всех соедине ний. Что касается ультрафиолетовых спектров, то существует целый ряд соедине ний (например, парафины), которые в области, легко доступной с точки зрения измерительной техники, не имеют полос поглощения. В ИКспектре всегда при сутствует достаточно большое число спектральных полос поглощения (один спектр

5.5. Приборы и оборудование для регистрации ИКспектров

161

может содержать до 40 полос и более). Это открывает громадные возможности для идентификации веществ. Именно поэтому ИКспектры образно называются «областью отпечатков пальцев» для соответствующего вещества. При этом химически родственные и близкие по строению соединения име ют в спектре немало похожих общих признаков, так что неизвестные соедине ния могут определяться по аналогии со спектрами уже хорошо знакомых ве ществ. Это означает, что вещества с похожей структурой имеют до определен ной степени близкие ИКспектры, но абсолютно одинаковых спектров все же не существует. Появление нескольких «лишних» полос в спектре вещества указы вает на его отличие от других либо, по крайней мере, свидетельствует о наличии в нем примесей. Проверка двух чистых веществ на идентичность осуществляется путем срав нения ИКспектров этих веществ. Такое прямое сравнение – это наиболее часто используемый метод при проведении качественного анализа в инфракрасной спек троскопии. В настоящее время сравнение спектров можно проводить автомати чески с помощью компьютерных программ. Правда, для этого потребуется метод Фурьеспектроскопии, который позволяет получить спектр, преобразованный в цифровую форму. Определение чистоты вещества представляет собой еще одно направление качественного ИКанализа. Из двух проб вещества всегда более чистой будет та, в спектре которой наблюдается меньшее число полос. Для обнаружения при месей очень важно знать, что ИКспектр смеси веществ – в отсутствие сильных межмолекулярных взаимодействий – есть в некотором роде наложение инди видуальных спектров. Ограниченное число примесей, о которых все же имеется некоторое представление, можно определить путем сравнения со спектрами предполагаемых соединений и последующей оценки их количественных отно шений.

5.5.4. Количественный анализ Наряду с определением структуры и идентификацией, все большее распростра нение в ИКспектроскопии получают количественные измерения. Здесь действуют те же закономерности, что и в УФ/видимой спектроскопии, то есть для моно хромного света справедлив закон Ламберта – Бера. Внедрение компьютеров как важных конструкционных элементов спектромет ров позволило возложить на них решение тех задач, которые до этого приходилось решать пользователю. Среди этих задач: установка рабочих параметров, запуск из мерительных процессов, контроль и расшифровка результатов. В результате мате матического преобразования интенсивности, зарегистрированные как процент пропускания, пересчитываются в единицы оптической плотности, которые затем используют в последующих вычислениях согласно закону Ламберта – Бера. В случае многокомпонентных смесей, аналитические полосы которых не пе рекрывают друг друга, подход к количественному анализу таков, как если бы речь шла об определении отдельных компонентов. Сложнее обстоит дело при пере крывающихся полосах. В этом случае предполагается, что оптические плотности

162

Глава 5. ИКспектроскопия

отдельных компонентов суммируются. Отклонения от этого допущения наблю дается, если компоненты смеси вступают во взаимодействие друг с другом. Для определения n компонентов надо измерить оптическую плотность при n волновых числах. После этого, используя калибровочные данные, можно вычис лить n индивидуальных концентраций. Современные методы позволяют быстро и точно вести анализ множества компонентов с минимальными усилиями со сто роны оператора.

5.6. Методы подготовки образцов В принципе спектральные исследования можно проводить во всех агрегатных со стояниях вещества (твердом, жидком, газообразном) и в любых консистенциях, в виде пленки или раствора. Способы пробоподготовки и методы измерения в ИКспектроскопии значительно отличаются от тех, которые используются в УФ и видимой области. Это объясняется, как правило, гораздо более высоким моляр ным поглощением. Необходимые для анализа количества вещества исчисляются в миллиграммах. Естественно, в случае газов нужна достаточно большая толщина поглощающего слоя, а в случае чистых жидкостей и твердых материалов, напро тив, гораздо меньшая, так как плотность поглощающего вещества выше. Измерение проводится обычно в проходящем свете. Это означает, что окна кюветы, в которую помещается вещество, должны быть прозрачны для инфра красного излучения. Подходящими для этой цели материалами могут быть ще лочные галогениды, например NaCl, KBr и CsJ. Общим свойством этих материа лов является их гигроскопичность. Это делает их непригодными для анализа вод ных растворов, так как в контакте с водой прежде прозрачные окна становятся молочномутными. Галогениды серебра (AgCl и AgBr) хотя и нерастворимы в воде, но зато чувствительны к ультрафиолетовым лучам.

5.6.1. Жидкости и растворы Жидкости исследуются в кюветах, устанавливаемых в спектрометре на пути из лучения. При этом вода оказывается совершенно неподходящим растворителем. Вопервых, она обладает сильным поглощением во всей средней ИКобласти, так что даже незначительная влажность образца становится существенной по мехой. Вовторых, в ИКдиапазоне для окон чаще всего используют материалы, отличающиеся низкой водостойкостью и даже растворимые в воде. Поэтому вод ные растворы обычно исследуются с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. В условиях комбинационного рассеяния в спектре воды наблюдается очень мало полос и, кроме того, этот метод позволяет работать со стеклянными кюветами. Пробоподготовка органических жидкостей, как правило, не создает особых проблем, поскольку подавляющее большинство органических соединений не раз рушает материал кюветы. Две плоскопараллельных пластины из оптическипро зрачного материала, например NaCl, образуют окна, между которыми помещает ся исследуемая жидкость. Такие кюветы бывают цельные или разборные. Для

5.6. Методы подготовки образцов Крепежная пластина

163

Уплотнение Окно Прокладка Окно Уплотнение

Передняя пластина

Рис. 5.10. Разборная кювета для жидких проб

Фурьеспектрометров, из которых откачивается воздух, применяют вакуумуплот ненные кюветы. Толщина слоя вещества в кювете регулируется с помощью выполненной из теф лона или свинца прокладки, которая устанавливается между прозрачными окнами. Обычно толщина рабочего слоя кюветы бывает от 10 мкм до 1 мм (см. рис. 5.10). Собранная таким образом конструкция скрепляется винтами между двумя сталь ными пластинами. Для цельных кювет вскрытие стяжного блока не предусмотре но. В этом случае в передней стальной пластине имеется заправочное отверстие для заливки пробы и ополаскивания кюветы. У кювет, предназначенных для ра боты в вакууме, заправочный патрубок закрывается резьбовыми вакуумными заг лушками. Такие кюветы предназначены для качественных и количественных ис следований. Однако их не стоит использовать для веществ, которые в процессе анализа становятся нерастворимыми либо затвердевают. Промыть такие кюветы достаточно сложно. Смена прокладки возможна только у разборных кювет. Если использовать быстро закручивающиеся гайки, то такие кюветы можно быстро разобрать на ча сти, чтобы, например, изменить толщину слоя или залить пробу. Кроме того, по добные конструкции удобны для очистки. Это позволяет применять их при ис следовании пастообразных материалов, разного рода смазок, вязких жидкостей и веществ, подверженных осмолению. После завершения измерения кювету разби рают и промывают, например с помощью CCl4, в ультразвуковой ванне. Поверх ности окон при необходимости можно снова отполировать до достижения опти ческого качества. Кюветы с переменной толщиной слоя, как показано на рис. 5.11, незаменимы для компенсации полос поглощения растворителя, проведения количественных и дифференциальных исследований. Точно изменения толщину слоя можно выявить в спектре важные подробности. Толщина слоя варьируется в диапазоне от 10 мкм до нескольких миллиметров с помощью винта с накатанной головкой. Для загруз ки и промывки кюветы используется специальный шприц.

164

Глава 5. ИКспектроскопия

Шприц

Крепежная пластина

Заправочное отверстие с насадкой

Выпускное отверстие Окно

Рис. 5.11. Кювета с переменной толщиной слоя

При работе с образцами, которые испаряются или разлагаются под действием инфракрасного излучения, можно поместить кювету в специальную камеру с во дяным охлаждением, чтобы температура пробы не поднималась выше комнатной. Особенно это необходимо при использовании спектрометров с источниками ин фракрасного излучения большой мощности. В некоторых случаях регистрация спектра чистого соединения по разным при чинам не приносит желаемых результатов. Такое вещество приходится разбавлять подходящим растворителем. Вода не может быть таким растворителем не только потому, что она не совместима с большинством оптических материалов, но также и изза сильного собственного поглощения в ИКобласти. К сожалению, не воз можно найти растворитель, который бы сам не поглощал в инфракрасном диапа зоне. Наиболее благоприятные условия создаются при использовании раствори телей, молекулы которых состоят из небольшого числа атомов и, кроме того, об ладают очень симметричным строением. В этом случае они имеют минимальное число колебательных полос. Поэтому в ИКспектроскопии особое значение при обретают два растворителя – CS2 и CCl4. Влияние растворителя может быть частично компенсировано, если чистый растворитель заливают в кювету с переменной толщиной слоя, которую устанав ливают в канале сравнения спектрометра. Однако при этом следует иметь в виду, что в спектре имеются области, где сам растворитель поглощает 100% излучения.

5.6.2. Твердые вещества Исследование твердых веществ методом инфракрасной спектроскопии во мно гом определяется физическими свойствами образца. Общепринятым способом считается исследование твердых веществ в растворах, однако при этом необходи мо учитывать определенные особенности использования растворителей. Если образец представлен в виде однородного тонкого слоя (например, ку сочка пластиковой пленки), то его закрепляют в предназначенном для этого дер

5.6. Методы подготовки образцов

165

жателе и регистрируют спектр в проходящем свете. Специальный держатель для пленки состоит из пластинки с прямоугольным отверстием, на которое и уклады вается пленка. Сверху пленка прижимается магнитной пластинкой, в центре ко торой тоже есть отверстие. Магнит обеспечивает механическое удерживание плен ки в вертикальном положении. Для разбавления проб разработано два широко используемых способа: • техника прессования с применением KBr и • приготовление суспензий на основе жидких парафинов. Расход вещества для получения ИКспектра совсем невелик и составляет все го несколько миллиграммов. Это количество может быть еще уменьшено при ис пользовании специального оборудования.

5.6.2.1. Техника прессования с KBr Техника прессования с KBr является одним из самых распространенных спосо бов приготовления образцов твердых и порошкообразных веществ. Этот процесс занимает довольно много времени, требует тщательного взвешивания и растира ния материала, а также очистки прессформы. При подготовке пробы 1–2 мг ис следуемого вещества тщательно растирают вместе с 200–300 мг сверхчистого KBr вручную в агатовой ступке, что потребует определенных усилий. Качественные спектры получают только при условии, что размер зерен подлежащего анализу вещества будет меньше длины волны излучения. Для равномерного и воспроиз водимого размола проб, особенно если нужно увеличить производительность, лучше всего использовать вибрационные мельницы, с помощью которых можно одновременно готовить сразу несколько образцов. Поскольку KBr обладает про зрачностью в широкой области спектра от 43 000 до 400 см–1 и не имеет полос поглощения, то при спектроскопическом исследовании регистрируется только спектр тонко измельченного в KBr вещества. Образец, размолотый вместе с KBr, прессуется с помощью гидравлического пресса в брикет в виде таблетки (рис. 5.12). При усилии в 10 тонн KBr становится пластичным и в результате из смеси образца и KBr получается «твердый раствор». Для удаления влаги из материала таблетки, которая делает таблетку мутной и

Пуансон Корпус Проба Держатель пробы Опорная плита

Рис. 5.12. Прессформа для прессования с KBr

166

Глава 5. ИКспектроскопия

снижает пропускание, а также для откачки остаточного воздуха прессформу под ключают к вакуумного насосу. Кроме того, желательно до начала использования прессформу и порошок KBr прогреть в сушильном шкафу при температуре око ло 40 °С. Это предотвратит конденсацию влаги воздуха на их поверхности. Вода, содержащаяся в KBr даже в минимальном количестве, сразу становится заметной в спектре в виде соответствующих полос поглощения. Влажность KBr приводит к появлению полос при 3450 и 1640 см–1, а также к искривлению фона ниже 1000 см–1. Поэтому рекомендуется хранить KBr в экси каторе над силикагелем. Порошок KBr можно подсушить в вакуумном сушиль ном шкафу при 150 °С. В стандартном варианте прессуются таблетки диаметром 13 мм, а для микро анализов могут быть изготовлены таблетки диаметром до 2 мм. Обычно применя ют компактные ручные гидравлические прессы мощностью 15 и 25 тонн. Автома тические 15, 30 и 50тонные прессы в спектроскопической лаборатории исполь зуются преимущественно для подготовки к анализу большого количества твер дых образцов. В этом случае с пульта управления устанавливается нужное давление и нажимается кнопка запуска насоса. Давление на поршне пресса повышается до тех пор, пока не будет достигнута установленная величина. После этого пресс ав томатически останавливается. Регулировка давления тоже происходит автомати чески. Не стоит забывать о том, что образец в процессе пробоподготовки может претерпеть определенные изменения в результате перестройки кристалличес кой решетки или в результате химических реакций. Кроме того, при большой разнице показателей преломления исследуемого вещества и KBr (n = 1,53) мо жет возникнуть асимметричное искажение спектральных полос, которое назы вается эффектом Христиансена. В этом случае придется воспользоваться мат рицей с более высоким показателем преломления, например Kl (n = 1,62), Csl (n = 1,74), AgCl (n = 1,98) или KRS5 (n = 2,37).

5.6.2.2. Методика пробоподготовки с парафиновым маслом Одним из щадящих методов подготовки твердых образцов для спектрального анализа является метод, основанный на приготовлении парафиновых суспензий. В этом случае примерно 2 мг исследуемого вещества энергично растирается в ступ ке с несколькими каплями медицинского вазелинового масла (смеси жидких вы сокомолекулярных парафинов). Масло (Nujol) служит для снижения отражения от граней кристаллических микрочастиц образца. Его показатель преломления должен быть максимально близок к показателю преломления исследуемого ве щества. Полученная «молочная каша» помещается между двумя круглыми окна ми разборной кюветы, затем в проходящем свете регистрируется спектр пропус кания. Полосы поглощения парафина, которые относятся к колебаниям групп CH2 и СН3, маскируют обнаружение этих же групп в образце, так как точная ком пенсация в большинстве случаев здесь невозможна (рис. 5.13). Этот метод, наряду с прессованием в KBr, рекомендуется использовать во всех тех случаях, когда кроме Н2О нет другого подходящего растворителя для пробы

5.6. Методы подготовки образцов

167

Пропускание, %

Волновое число, см–1

Рис. 5.13. ИКспектр вазелинового масла

или когда вещество пробы вступает в реакцию с KBr. С технической точки зрения описанная методика более проста, чем техника прессования.

5.6.3. Газы Так как азот и кислород не имеют поглощений в ИКобласти спектра, то инфра красная спектроскопия является просто идеальным методом обнаружения раз ных газов в атмосфере. Первые газовые кюветы были длиной до 25 см. Промыш ленные устройства записи инфракрасного поглощения (URAS) фирмы BASF были фильтрующими приборами для технологического контроля газов, таких как СО, СО2, СН4, N2O, NH3, SO2, HCl, и паров ряда растворителей [5.7]. С 1960 г. начали активно внедрять анализы воздуха с помощью ИКспектроскопии в сфере про мышленного производства. Но сначала при разработке процесса контроля воз душной среды пришлось преодолеть множество препятствий [5.8]. С одной сто роны, газы и пары поглощают весьма слабо и для их анализа требуются достаточ но длинные пути поглощения; с другой стороны, в спектре газа гораздо больше полос поглощения, чем в спектрах жидких и твердых образцов. ИКспектры газообразных проб существенно отличаются от спектров твердых и жидких веществ. В газообразном состоянии молекулы имеют возможность почти беспрепятственно перемещаться в пространстве и обладают независимо от сосед них молекул свободным вращением. Вращательное движение в спектре проявляет ся в виде множества отдельных линий поглощения и создает более сложную карти ну колебаний, чем это можно было бы ожидать от молекул с простой структурой. По мере увеличения давления молекулы все более сближаются, соударений стано вится больше. При этом возрастает вероятность того, что во время вращательного движения молекулы столкнутся и свободное вращение будет затруднено. Такая си туация находит свое отражение в уширении спектральных полос поглощения. Уширение вращательных полос в спектре зависит от собственного парциаль ного давления компонентов смеси, общего давления в измерительной ячейке и от типа молекулы. Поскольку интервал между двумя вращательными линиями с уве личением молярной массы все более и более сокращается, то при нормальном

168

Глава 5. ИКспектроскопия

давлении в случае крупных молекул уже невозможно полное разрешение их тон кой вращательной структуры. В этом случае определение концентраций компо нентов по изменению интенсивности каждой отдельной вращательноколебатель ной полосы становится нереальным. Для исследования газов методом ИКспектроскопии необходимы приборы с особенно высокой разрешающей способностью, так как вращательные уровни молекул газа совсем немного отличаются друг от друга и соответствующие им по лосы поглощения располагаются чрезвычайно тесно. В газовой спектроскопии интерес в большинстве случаев представляет не столько анализ отдельных чис тых компонентов, сколько определение нескольких компонентов смеси. При этом на передний план выходит анализ газовых отходов камер сгорания и тепловых электростанций, а также контроль воздуха на рабочем месте [5.9]. Изобилие по лос в газообразной фазе создает колоссальный объем данных, справиться с обра боткой которых под силу разве что малогабаритной, но в высшей степени произ водительной вычислительной машине. Современные спектрометры высокого разрешения обеспечивают разрешение до 0,001 см–1, для реализации которого требуется длина пути подвижного зеркала в интерферометре порядка 10 м. Эти приборы служат для определения вредных веществ в атмосфере и стратосфере нашей планеты. Для такого рода измерений естественным источником света служит Солнце. Исходящее от него излучение направляется в спектрометр с помощью устройства, автоматически следящего за положением Солнца. В области газовой спектроскопии, особенно при высоком разрешении, серь езную техническую проблему создает протяженность источника излучения и рас ходимость светового пучка. Разрешение, достигаемое Фурьеспектрометром, пер вично задано через длину пути перемещения зеркала интерферометра. Так как при любой фокусирующей оптике центральные и краевые лучи неточечного ис точника излучения проходят разные пути, то между ними существует оптическая разность хода. Она должна составлять не более половины длины волны использу емого для измерения света для того, чтобы не возникло тушения в результате де структивной интерференции. Можно приблизить ситуацию к идеальной, если ог раничить размеры источника круглой апертурой. Этот эффект будет возрастать с уменьшением длины волны излучения. Однако если излучатель или его образ, «апертура», становится меньше, то и мощность излучения падает. Несмотря на это, светосила Фурьеспектрометров и при использовании круглых апертурных диафрагм несравненно выше, чем в спектрометрах с дифракционной решеткой и щелевой диафрагмой. Для простых анализов газов, то есть чистых газов или газовых смесей из не большого числа компонентов, можно использовать простые кюветы с толщиной слоя от 10 до 25 см. Камера образца обычно ограничена размером 25 см. Оптичес кие окна на обоих концах изготовлены, как правило, из KBr или иных прозрач ных для ИКизлучения материалов. Напуск и эвакуация пробы осуществляется с помощью двух запорных кранов [рис. 5.14]. Нагреваемые газовые кюветы служат для регистрации спектров газов и па ров при температурах до 500 °С. В этих условиях можно исследовать и вещества,

5.7. ИКспектроскопия отражения

169

Напуск и эвакуация газа

25 см

Рис. 5.14. Газовая кювета размером 25 см

которые при комнатной температуре остаются еще твердыми или жидкими. Спе циальные высокотемпературные кюветы рассчитаны на температуру до 800 °С и могут работать при высоком давлении. Это позволяет проследить ход многих технологических процессов, протекающих при данных условиях, для их после дующей оптимизации или вести анализ с разложением веществ. Чтобы избе жать перегрева всего спектрометра, обогреваемые кюветы снабжаются водяным охлаждением. Для определения следов загрязнений в газах длину оптического пути излуче ния в кювете приходится увеличивать до 1 метра. С этой целью используются многоходовые газовые кюветы [5.10]. В таких устройствах траектория инфракрас ного излучения увеличивается в результате многократных отражений с помощью системы зеркал внутри кюветы. Благодаря специальному расположению этих зер кал достигается минимальный общий объем кюветы. Зеркала имеют возможность поворота, что позволяют настраивать разную оптическую длину пути. Таким спо собом удается последовательно устанавливать толщину поглощающего слоя газа от 25 см (простой путь без участия зеркал) и до 10 метров в корпусе кюветы дли ной 25 см. При минимальном объеме многоходовой кюветы к юстировке зеркал предъяв ляются повышенные требования. Самые большие кюветы, которые были изго товлены, имеют оптическую длину пути 10, 20 и 40 метров. При реальной длине кюветы 25 см объем ее составляет менее 1 литра. Пределы обнаружения органи ческих газов в таких кюветах находятся в области ppm и subppm. Специальные устройства с максимальной длиной хода 120 метров, предназначенные для иссле дования атмосферы, были изготовлены в США в количестве всего нескольких штук. Емкость такой кюветы достигает почти 20 литров.

5.7. ИКспектроскопия отражения Обычным методом исследования в оптической спектроскопии является измере ние прошедшего через пробу излучения, то есть речь идет о спектроскопии про пускания. Кроме этого, с помощью ИКспектрометра можно анализировать также

Глава 5. ИКспектроскопия

170

излучение, отраженное от поверхности материала. Исследование поверхности издавна вызывает большой интерес во всех областях аналитического контроля. Идея использования свойств граничных поверхностей для идентификации ве ществ столь же стара, как и сама инфракрасная спектроскопия. Когда ИКизлу чение попадает на поверхность образца, оно или поглощается, или отражается, или диффузно рассеивается. Каждая возникающая при этом компонента излуче ния разной интенсивности несет в себе определенную спектральную информа цию. Для регистрации спектра в условиях отражения были разработаны специ альные приемы, в основе которых: • • • •

нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО), зеркальное отражение, отражение при углах падения, близких к скользящему, и диффузное отражение.

Спектроскопия отражения с очень малой эффективной толщиной слоя отно сится к довольно сложным методам. Она получила широкое распространение толь ко благодаря появлению Фурьеспектрометров. В результате гораздо лучшего со отношения сигнал/шум удается регистрировать спектры даже при неблагоприят ных энергетических условиях. Возможности вычислительной дифференциальной спектроскопии позволили значительно упростить столь важную в условиях экс перимента компенсацию эталонного фона при всех измерениях в отраженном свете. После вычитания поглощения растворителя из спектров растворов получа ют отличного качества спектры их ингредиентов. Наряду с качественным анали зом можно проводить и количественные исследования, пользуясь эмпирически ми функциями калибровки. В условиях отражения успешно регистрируются спектры веществ, не прозрач ных для ИКизлучения, анализ которых в иных ситуациях требует весьма трудо емкого подготовительного процесса. К достоинствам этих способов исследова ния можно отнести простую пробоподготовку (иногда без этой операции вообще можно обойтись) и нечувствительность к толщине слоя. Кроме того, образец при подобных измерениях не разрушается. Поверхность образцов можно изучать бес контактно в естественных условиях. Спектроскопия отражения способна решить многие и самые разные проблемы – от исследования поверхности металлов до качественных и количественных анализов пластмассы или идентификации сле довых количеств органического либо неорганического порошка. В отражательной спектроскопии существует принципиальное различие меж ду внешним и внутренним отражением. При внешнем отражении проба контак тирует с оптически менее плотной средой, чаще всего с окружающим воздухом, через которую и проходит анализирующее излучение. При внутреннем отраже нии взаимодействие излучения с образцом происходит при контакте образца с поверхностью оптически более плотного диэлектрика. Уже на протяжении многих лет спектроскопия нарушенного полного внут реннего отражения (НПВО) применяется для исследования поверхностей (покры тий), сильно поглощающих веществ, вязких и волокнистых материалов или рези ны и стала стандартным методом ИКспектроскопии [5.12]. Внешнее зеркальное

5.7. ИКспектроскопия отражения

171

отражение с малыми углами падения является очень удобным методом качествен ного и количественного анализа тонких слоев, например лаков или полимерных покрытий, нанесенных на отражающие металлические поверхности [5.13]. Если излучение взаимодействует с образцом под достаточно большими углами паде ния (около 85 градусов), то становится возможным исследование очень тонких слоев вещества, вплоть до моносля. В то время как отражательная спектроскопия с большими углами падения представляет собой особый случай зеркального отражения, при диффузном отра жении свет отражается от поверхности по всем направлениям. Диффузное отра жение – это метод анализа микропроб от 100 мкг до 100 нг, который не требует сложной пробоподготовки [5.14].

5.7.1. Метод НПВО Применение ИКспектроскопии для исследования поверхностей по принципу нарушенного полного внутреннего отражения имеет относительно давнюю тра дицию. Еще в 1961 г. соответствующая методика была впервые описана Й. Фа ренфортом, а чуть позднее появились уже коммерческие варианты необходимого для ее реализации оборудования. Метод НПВО стал инновационным решением определенных проблем, привлекательность которого едва ли могла быть снижена тем фактом, что при использовании дисперсионных приборов спектры были не высокого качества и расшифровать их можно было, только пустив в ход всю свою фантазию. Тем не менее был открыт перспективный путь для анализа даже таких нетрадиционных образцов, как снабженные покрытием металлы, полимерная пленка, кинопленка, пасты, мыла или жиры. Сегодня ИК Фурьеспектроскопия, в сочетании с методом НПВО и при поддержке современных способов обработки данных, широко применяется, например, в целях простого и быстрого измерения содержания жиров и масел в продуктах питания, а также для исследования сма зочных и топливных материалов, образцов резины и бумаги, покрытий поверх ностей, паст и жидкостей. Такая техника позволяет быстро производить качествен ный и количественный анализ при минимальных затратах на отбор проб и их под готовку [5.15].

5.7.1.1. Принцип метода нарушенного полного внутреннего отражения Метод основан на физических явлениях, которые возникают при отражении све та на границе раздела двух сред с разной оптической плотностью. Когда свет, про ходя через среду с относительно высоким показателем преломления (кристалл НПВО) падает на границу раздела со средой с меньшим показателем преломле ния (образец) под углом падения больше критического (предельный угол полно го отражения), то излучение от этой граничной поверхности отражается почти полностью. Однако даже при полном отражении излучение все же проникает в гранича щую с кристаллом среду на небольшую глубину. Глубина проникновения свето

172

Глава 5. ИКспектроскопия

вого луча в пробу является функцией длины волны, показателей преломления кристалла и исследуемого вещества и угла падения. ⎛ n1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜n ⎟ ⎝ 2⎠

2

⎛λ⎞ ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⋅ cos α ⎝ n1 ⎠ d= , 1/ 2 2 2 ⎧⎪ ⎛ n ⎞ ⎫⎪⎧⎪ ⎛ n2 ⎞ ⎫⎪ 2 1 π ⎨1 − ⎜⎜ ⎟⎟ ⎬⎨sin α − ⎜⎜ ⎟⎟ ⎬ ⎝ n1 ⎠ ⎪⎭ ⎪⎩ ⎝ n2 ⎠ ⎪⎭⎪⎩

где d – глубина проникновения, n1 – коэффициент преломления пробы, n2 – ко эффициент преломления кристалла, α – угол падения луча. При следующем отражении повторяется тот же процесс (рис. 5.15). В зависи мости от того, поглощает или не поглощает излучение соседняя среда, то есть в данном случае образец, изменяется интенсивность отраженного света. В резуль тате получается спектр отражения, подобный спектру пропускания. В этом спек тре волновые числа, при которых происходит специфичное для данного вещества поглощение, будут такими же, как при измерении в проходящем свете. В спектре НПВО сильно отличаются только интенсивности полос. Так как глубина проникновения зависит от длины волны излучения, то понятно, что полосы с увеличивающейся длиной волны (или, соответственно, с уменьшаю щимся волновым числом) становятся все интенсивнее по сравнению с теми же полосами в спектре пропускания. Спектр нарушенного полного внутреннего от ражения по сравнению со спектром пропускания всегда искажен, так как при больших волновых числах (малой глубине проникновения) интенсивности по лос всегда меньше, а при убывающем волновом числе (большой глубине про никновения) они больше. Но такому «перекошенному» спектру вполне можно придать вид обычного спектра пропускания путем соответствующей математи ческой коррекции. В целом интенсивность полос спектра НПВО возрастает с увеличением числа отражений в кристалле. Но изменение толщины слоя образца никак не отражает ся в спектре. Анализируемое вещество размещается в соответствующем держателе в непос редственном контакте с поверхностью кристалла, обладающего высоким коэф фициентом преломления. Обязательным условием нарушенного полного внут реннего отражения является оптический контакт образца с кристаллом. С помо Проба Кристалл

Проба

Рис. 5.15. Отражение ИКизлучения в кристалле

5.7. ИКспектроскопия отражения

173

Рис. 5.16. Принципиальная схема ячейки НПВО

щью прижимного устройства можно достаточно сильно придавить неровную или порошкообразную пробу к кристаллу. Свет от источника излучения попадает в кристалл с плоскими параллельными гранями. Угол падения луча выбирается та ким образом, чтобы эффект НПВО возникал именно на этих гранях. После мно гократных отражений излучение выходит из кристалла и возвращается в прибор. При использовании кристаллов разной формы с углами падения 30, 45 и 60° по лучают и разное число отражений внутри кристалла (рис. 5.16). Чем меньше угол падения луча, тем больше отражений реализуется в кристалле. Увеличение числа отражений повышает чувствительность при соответственно меньших затратах энергии. Для дисперсионных приборов нормальным считается 25 отражений, для Фурьеспектрометров с центральной фокусировкой и высокой светосилой обыч но хватает 6 отражений. При обеспечении хорошего контакта с кристаллом, например в случае проб с гладкой поверхностью, выбирают достаточно большой угол падения излучения. Для образцов с шероховатой поверхностью необходимо большое число отраже ний, которого можно достичь, выбрав кристалл с небольшим углом падения. Су ществуют устройства полного внутреннего отражения, у которых угол падения излучения может изменяться непрерывно, что позволяет проводить исследова ния проб с разной глубиной проникновения. Полосы спектра НПВО будут тем интенсивнее, чем ближе угол падения излу чения к предельному углу полного отражения. По мере увеличения угла падения постоянно возрастает и интенсивность. Было бы предпочтительнее проводить измерение как можно ближе к предельному углу. Но в этом случае изза аномаль ной дисперсии показателя преломления полосы в спектре отражения асиммет рично уширяются, и их максимум смещается в сторону меньших волновых чисел. Эти погрешности будут пренебрежимо малы, если угол падения луча больше пре дельного угла. При этих условиях получают спектры, которые, правда, менее ин тенсивны, но зато соответствуют спектрам пропускания. В качестве кристаллического материала для стандартного элемента внутрен него отражения (internal reflection element) используют в большинстве случаев KRS5. С появлением горизонтальных элементов, для которых нужны кристал лы, стойкие к механическому износу, предпочтение стали отдавать селениду цин

174

Глава 5. ИКспектроскопия

ка, а в случае водных проб часто используют германий. Полное внутреннее отра жение наступает только при переходе излучения из оптически более плотной сре ды в оптически менее плотную. Поскольку для Ge в инфракрасном диапазоне показатель преломления составляет n = 4,0, это вполне оправдывает его выбор, так как показатели преломления образцов всегда значительно ниже. Но область пропускания германия, как следует из табл. 5.3, ограничена. Более широкий диа пазон пропускания имеют ZnSe и KRS5, но они не обладают абсолютной нера створимостью в воде. Все эти материалы применимы только для средней ИКоб ласти. Расширить спектральный диапазон до 200 см–1 можно, если использовать в качестве элемента НПВО кремний [5.16].

5.7.1.2. Практическое применение ИКспектроскопии НПВО Хотя метод НПВО был значительно усовершенствован в конце 70х годов в результате общего развития приборной техники, оптики и особенно микро электроники, он все еще был ограничен рамками традиционной дисперсион ной ИКспектроскопии. Появление Фурьеспектрометров стало важным эта пом в расширении области применения НПВО и позволило проводить исследо вания даже таких образцов, о которых не могло быть и речи при использовании классической ИКспектроскопии (сильно поглощающие поверхности, микро слои и проч.) [5.17]. При работе методом НПВО даже воду, которая в проходящем свете поглощает большую часть излучения, можно использовать в качестве растворителя. В круго вой ячейке НПВО (circle cell) применяют кристаллы с круглым поперечным сече нием, которое соответствует апертурным параметрам Фурьеспектрометра и обес печивает минимальные потери энергии. Это позволяет исследовать образцы в сильно поглощающих растворителях, таких как вода, которые при обычных из мерениях в проходящем свете поглощают большую часть энергии излучения. На рис. 5.17 представлен в качестве примера спектр НПВО моющего средства, со держащего воду. При использовании квадратной ячейки НПВО удается улучшить оптический путь луча, который при круглой форме кристалла заполняет его неравномерно. Пропускание, %

Пропускание, % Разностный спектр

Исходный спектр

Волновое число, см–1

Рис. 5.17. Спектр НПВО моющего средства, содержащего воду

5.7. ИКспектроскопия отражения

175

После вычитания из спектра раствора спектр чистого растворителя можно полу чить почти безупречные инфракрасные спектры растворенных веществ. Приме ром применения такой методики являются исследования водномасляных эмуль сий, полимерных эмульсий, электролитов и хладагентов. С помощью разностных спектров можно определять ингредиенты напитков и настоек, содержащиеся в малых концентрациях [5.18]. Метод НПВО можно использовать не только в отношении «тяжелых» образ цов вроде паст и гелей, но и для любых жидких проб вместо обычного измерения в проходящем свете в кюветах. При горизонтальном расположении кристалла в ячейке процесс подготовки пробы сводится к минимуму. Держатель пробы с кри сталлом легко вынимается, что облегчает процесс нанесения образца и последу ющую очистку. При этом сама ячейка НПВО остается в спектрометре, что позво ляет обойтись без новой юстировки зеркал. При использовании проточного держателя для кристалла с образцом прово дят исследование ламинарного потока проб, протекающего по поверхности кри сталла. Таким способом обеспечивается возможность проведения анализов в ре альном времени. В лабораториях с большим объемом исследуемых объектов уста навливают механизм автоматической подачи жидких проб. Образцы с неровной поверхностью, например порошки, можно прижимать к кристаллу с помощью специального прижимного устройства для улучшения контакта между исследуемым веществом и кристаллом. Именно порошковые материалы и полимеры, которые ранее требовали трудоемкой подготовки для ИКспектроскопии, могут без всякой дополнительной обработки анализировать ся методом НПВО. Этот метод может успешно работать при проведении анали зов кожи и без прижимного устройства. В специальной ячейке НПВО для ана лиза кожи предусмотрена площадка для контакта с образцом. В этом случае воз можен контакт с разными частями тела – кистью, предплечьем и т.д. Типичным примером применения измерений in situ является изучение действия на кожу косметических и фармацевтических средств, наблюдение за впитыванием че рез кожу лекарственных препаратов и простые измерения содержания влаги и жиров. В отличие от общепринятых методов исследования на просвет, в случае НПВО интенсивность поглощения уже не зависит от толщины слоя образца. Это приво дит к тому, что появляется возможность анализировать образцы лакокрасочных покрытий, материалов с большой толщиной слоя и сильной пигментацией, то есть почти не прозрачные в ИКдиапазоне. Особое преимущество рассматривае мого метода – в силу ограниченной глубины проникновения излучения – состо ит в возможности «заглянуть» внутрь многослойных систем либо проследить по верхностные изменения на пленочных материалах. Понятно, что упомянутая не зависимость интенсивности спектральных полос от толщины пленки лишь до определенной степени справедлива в отношении материалов слоистой структу ры. Если контактный слой становится тоньше, чем глубина проникновения из лучения, в спектре появляются полосы как верхнего, так и лежащего под ним слоя вещества.

176

Глава 5. ИКспектроскопия

5.7.2. Внешнее отражение в ИКспектроскопии В технике внешнего отражения различают зеркальное и диффузное отражение, а также отражение при угле падения, близком к скользящему. Эти методы исследо вания образцов позволяют легко и быстро анализировать твердые материалы без сложной предварительной пробоподготовки. Кроме того, в этом случае исключа ется изменение структуры образца, которое может возникнуть при размалыва нии с KBr и в результате сжимающей нагрузки в штампе для прессования. Прав да, интерпретация спектров отражения сложнее, поскольку в реальных образцах почти всегда возникает одновременно зеркальное и диффузное отражение. Одна ко для практического применения часто бывает достаточно формального сход ства между спектрами пропускания и отражения. Отношение интенсивностей отраженного и падающего излучения называют коэффициентом отражения (reflectance). Если изменение этого параметра графи чески представить как функцию волнового числа, то можно получить такую же спектральную информацию, как и при расшифровке спектров пропускания, с той лишь разницей, что в спектре отражения надо еще выделить составляющую пока зателя преломления. Согласно уравнениям Френеля, интенсивность отраженно го излучения зависит от показателя преломления образца. Как мы увидим позднее, именно зависимость энергии отраженного излучения от коэффициента прелом ления приводит к искажениям полос в спектре отражения.

5.7.2.1. Зеркальное отражение Внешнее, зеркальное отражение при малых углах падения используется для каче ственного и количественного анализа поглощающих покрытий на поверхностях металлов и неметаллических материалов, отражающих инфракрасные лучи. Прин цип зеркального отражения основан на том, что излучение спектрометра с помо щью системы зеркал направляется на поверхность образца и отражается от нее под тем же самым углом. Затем излучение попадает на детектор спектрометра. Таким образом, инфракрасный луч пронизывает покрытие и отражается от глад кой поверхности металла. При проникновении в поверхностный слой происхо дит частичное поглощение энергии излучения в результате его взаимодействия с

Поглощающий слой (лаки, полимеры и др.)

Отражающая (металлическая) подложка

Рис. 5.18. Схема внешнего зеркального отражения

5.7. ИКспектроскопия отражения

177

молекулами покрытия. В итоге получают спектр пропускания исследуемого ма териала (рис. 5.18). Преимущество описанного метода по сравнению с техникой нарушенного полного внутреннего отражения состоит в том, что образцы не контактируют ни с каким другим кристаллическим материалом, а сам исследуемый слой не обяза тельно должен иметь гладкую поверхность. При этом можно анализировать по крытия толщиной от 1 до 100 мкм. Для количественного анализа используют фор мулу: lg

1 = ε c d, R

где R – относительное отражение, ε – мольный коэффициент поглощения, c – концентрация, d – толщина слоя. Используя метод зеркального отражения, можно изучать органические жид кости, причем для этого достаточно нанести на зеркальную поверхность всего одну каплю вещества. Трудности могут возникнуть только в случае жидкостей с низ кой температурой кипения. Если твердые вещества удастся расплавить без разло жения, то при быстром охлаждении расплавленного образца на металлической пластинке образуется тонкий слой, с которого можно затем получить ИКспектр. Такой простой и быстрый способ является полноценной альтернативой трудоем кому методу прессования с KBr, причем расход вещества будет приблизительно таким же [5.19].

5.7.2.2. Спектроскопия скользящего отражения По мере увеличения угла падения луча возрастает глубина его проникновения и связанное с нею поглощение. Это обстоятельство можно использовать для иссле дования очень тонких поверхностных слоев (рис. 5.19). Эффективная длина пути l излучения, проникающего в среду с толщиной слоя d, равна: l = 2d/cos α. Для углов падения > 85°, когда величина cos α быстро приближается к нулево му значению, любое увеличение угла падения вызывает увеличение глубины

Зеркальное отражение Отражение с поглощением Поглощающий слой (лаки, полимеры и проч.) Отражающий (металлический) слой

Рис. 5.19. Принцип спектроскопии скользящего отражения

178

Глава 5. ИКспектроскопия

проникновения и, следовательно, приводит к усилению поглощения в отражен ном излучении. Интенсивность спектральных полос возрастает также при исполь зовании поляризованного света. Для отражения от металлической поверхности оптимальной является 90°ная поляризация излучения. Технику скользящего отражения используют для исследования тонких слоев на гладкой отражающей поверхности. Эта методика особенно удобна для регист рации спектров поверхностей с толщиной слоя примерно от 0,1 до 10 мкм [5.20]. Такие исследования необходимы в производстве покрытий и полупроводников, для исследования тонких пленок на отражающей металлической поверхности. Но поскольку эти спектры содержат компоненты и поглощения, и зеркального отра жения, то количественный анализ здесь затруднен. Компонента зеркального от ражения всегда присутствует в спектре и не зависит от исследуемого вещества. Толщину эпитаксильного слоя на полупроводниковых материалах можно легко определить по спектру интерференции такого слоя (рис. 5.20). Для этого слой не должен быть тоньше длины волны и не толще 50кратной длины волны использу емого излучения. Важно также, чтобы в этой области спектра не было полос по глощения. Если в качестве отражающей подложки используется вода, то методом скользящего отражения можно изучать мономолекулярные слои на границе раздела вода – воздух. Такие вещества, как мыло, масло, жиры, липиды и т.д., образуют на поверхности воды мономолекулярную пленку, в которой гидро фильная часть молекул ориентирована в сторону воды. Гидрофобная же часть состоит обычно из СН2звеньев и отталкивается водой. С помощью сдвигаю щей пластинки эту пленку можно сжать или растянуть для исследования двух фаз. Это дает возможность проводить измерения при разной глубине проник новения. В результате получают информацию о гидрофильных группах, об ори ентации гидрофобной цепи, а также о строении и конфигурации пленок. Био логические мембраны могут таким способом исследоваться in situ на их нату ральном субстрате. Пропускание, %

Волновое число, см–1

Рис. 5.20. Спектр отражения эпитаксильного слоя Ge

5.7. ИКспектроскопия отражения

179

5.7.2.3. Диффузное отражение В отличие от зеркального отражения на идеально гладких поверхностях, диффуз ное отражение возникает на «идеально» шероховатой поверхности. Принцип из мерения диффузного отражения основан на фокусировке ИКизлучения эллип соидным зеркалом на поверхности образца, находящегося в открытой чашечке, как показано на рис. 5.21. Затем диффузноотраженное от образца излучение со бирается вторым эллипсоидным зеркалом и с помощью отклоняющего плоского зеркала направляется к детектору спектрометра [5.21]. Для регистрации спектра сравнения вместо пробы используется хорошо отра жающий, но не поглощающий стандарт – чаще всего KBr. Сначала записывают однолучевые спектры сравнения и образца, а затем аналогично тому, как это про исходит при получении спектра пропускания, преобразуют однолучевые спектры в спектр диффузного отражения образца. Методом диффузного отражения на Фурьеспектрометре можно анализиро вать пробы, с трудом поддающиеся исследованию в проходящем свете. Этот ме тод не требует большой пробоподготовки и поэтому во многих случаях дает зна чительную экономию времени. Он находит применение преимущественно для анализа порошков – лекарств и продуктов фармацевтической промышленности, но нередко и вполне успешно используется также для исследования волокнистых материалов, таких как бумага или ткани. При использовании ячейки диффузного отражения с XZпозиционирующим столом можно проводить картографический анализ проб, неоднородных по сво ей природе или по размерам частиц. Достаточно крупные образцы можно конт ролировать в отдельных точках по всей поверхности. Таким способом анализиру ются пластины для тонкослойной хроматографии. Как и при использовании метода НПВО, здесь тоже необходимо иметь в виду, что глубина проникновения излучения в образец зависит от длины волны. По срав нению со спектрами пропускания, у спектров отражения в результате увеличения глубины проникновения интенсивность полос поглощения возрастает в длинно волновой спектральной области. Одной из главных трудностей при работе с диффузным отражением является искажение формы спектральных полос изза присутствия в отраженном излуче Эллипсоидные зеркала

Источник света

Проба

Плоское зеркало

Рис. 5.21. Схема ячейки диффузного отражения

Детектор

180

Глава 5. ИКспектроскопия Зеркальное Многократное отражение: отражение: угол падения любой угол отражения равен углу отражения

Частицы образца

Рис. 5.22. Зеркальное отражение (отражение Френеля) от поверхности частиц

нии зеркальной компоненты (отражение Френеля). При облучении образца ка каято часть падающего света отражается непосредственно от его поверхности, причем угол отражения равен углу падения. Эта часть излучения не поглощается пробой и поэтому не содержит никакой спектральной информации. Так как угол падения и, соответственно, угол отражения для этой части излучения известен, то можно уменьшить его влияние, используя внеосевую конструкцию ячейки диф фузного отражения Кроме этого, лучи могут многократно отражаться от поверхности частиц под разными углами и эти углы могут быть любыми (рис. 5.22). Эта часть излучения оптически может не отличаться от компоненты диффузного отражения. Как пра вило, здесь помогает разведение пробы непоглощающим веществом, например порошком KBr [5.22]. Еще одну сложность создают иногда сильно поглощающие образцы со слабым сигналом отражения. Низкое отношение сигнал/шум в полу ченных спектрах иногда удается улучшить за счет удлинения периода измерения либо при использовании более чувствительных детекторов. Наложение зеркального и диффузного отражений приводит к упомянутым выше асимметричным искажениям полос в спектрах диффузного отражения. Для интенсивных полос поглощения (обычно ниже 2000 см–1) измеренный спектр представляет собой смесь диффузного и зеркального отражения, а полосы имеют форму производной. С помощью математической обработки (преобразование Крамерса – Кронига) можно скорректировать спектры, искаженные изза высо кой доли зеркального отражения. 5.7.2.3.1. ÏÐÅÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ ÊÐÀÌÅÐÑÀ – ÊÐÎÍÈÃÀ

В отличие от спектров пропускания, спектры отражения содержат две составляю щих – коэффициент преломления n и коэффициент экстинкции k, что сильно затрудняет их интерпретацию. Связь между отражением и преломлением света описывается уравнениями Френеля. Эти уравнения определяют коэффициенты отражения и пропускания как функцию показателей преломления и углов паде ния и преломления для излучения, поляризованного параллельно и перпендику лярно плоскости падения. Поскольку отражающая поверхность также и погло щает, необходимо в дополнение к относительному показателю преломления учитывать и коэффициент поглощения. Составляющая показателя преломле ния выделятся из спектра путем относительно сложного числового интегриро

5.7. ИКспектроскопия отражения

181

Пропускание, %

Волновое число, см–1

Рис. 5.23. Спектр диффузного отражения полистирола Пропускание, %

Спектр пропускания

Волновое число, см–1

Рис. 5.24. Спектр диффузного отражения полистирола после преобразования по Крамерсу – Кронигу в сравнении со спектром пропускания

вания. В результате так называемого преобразования Крамерса – Кронига экспе риментальный спектр трансформируется в обычный спектр пропускания. На рис. 5.23 представлен спектр полистирола, полученный методом диффуз ного отражения. Сильное искажение полос в спектре вызвано высокой долей зер кального отражения. После коррекции с использованием преобразования Кра мерса – Кронига получают спектр, более пригодный для сравнения со спектром пропускания (см. рис. 5.24). Ширина и интенсивность полос в спектрах диффузного отражения органичес ких веществ сильно зависят от размера частиц образца. Для поглощающих неорга нических веществ, обладающих высоким коэффициентом преломления, измене ние спектров в зависимости от размера частиц проявляется еще отчетливее. 5.7.2.3.2. ÊÎËÈ×ÅÑÒÂÅÍÍÛÉ ÀÍÀËÈÇ ÏÐÈ ÄÈÔÔÓÇÍÎÌ ÎÒÐÀÆÅÍÈÈ

Метод диффузного отражения используют обычно для качественных и полуко личественных определений. Доля энергии зеркального отражения, которая не за

182

Глава 5. ИКспектроскопия

висит от толщины слоя, осложняет проведение количественного анализа. Доста точно успешные количественные измерения возможны при использовании урав нения Кубелки – Мунка: f (R ) =

(1 − R)2 ε c = . s 2R

Это уравнение представляет собой аналог закона Ламберта – Бера для диф фузного отражения и названо именами его авторов. Оно справедливо для идеаль ной, бесконечно разбавленной пробы в непоглощающей матрице. R – это отно сительное отражение пробы при теоретически бесконечной толщине слоя, кото рая на практике составляет порядка 2 мм. S – это коэффициент рассеяния, зави сящий от размера частиц исследуемого образца.

5.7.2.4. Практическое применение отражательной спектроскопии Спектроскопия диффузного отражения относится к достаточно сложным мето дам, получившим широкое распространение только с внедрением Фурьеспект рометров. Этот метод успешно используется для анализа образцов, которые по своей физической природе с трудом поддаются исследованию в проходящем све те, либо таких, которые должны анализироваться без каких бы то ни было изме нений. Наибольшие трудности при интерпретации спектров диффузного отра жения связаны с явлениями, вызванными присутствием доли зеркального отра жения. Этот метод находит применение в исследованиях большого числа самых раз ных образцов – порошков, волокон или компактных кусков трудно измельчае мых материалов. В пищевой промышленности отражательная спектроскопия за нимает особое место при проведении анализа покрытий внутренних сторон кон сервных банок и емкостей для напитков. В автомобильной отрасли рассматриваемый метод активно используется для анализа Znфосфатированиых стальных листов. В последнее время цинк здесь все чаще заменяют другими металлами, такими как никель, магний или марганец. Для идентификации этих материалов, в ИКспектрах которых присутствуют со ответствующие полосы поглощения фосфата и кристаллизационной воды, впол не подходит метод спектроскопии отражения [5.23].

5.7.2.5. Сопряжение с волоконными световодами Волоконнооптическая система позволяет проводить ИКанализы за пределами спектрального прибора. Это открывает путь к анализу образцов, которые не мо гут быть размещены в спектрометре. Таким образом, данная система представля ется идеальной для проведения простых определений на труднодоступных про бах. Оптический интерфейс направляет ИКизлучение из спектрометра в волок но оптического кабеля, по которому свет при полном многократном внутреннем отражении попадает к измерительной головке, имеющей контакт с образцом. По второму волокну ослабленный свет вновь направляется к интерфейсу и затем по ступает на детектор.

5.8. Фотоакустическая детектция

183

Для жидких проб возможны измерения в технике пропускания и полного внут реннего отражения. Принцип действия головки для измерения пропускания ос нован на внешнем, направленном отражении. Свет через кварцевое либо сапфи ровое окно проникает в жидкую пробу, отражается зеркалом и вновь проходит через окно в оптоволоконный кабель. При этом толщину слоя, соответствующую двойному расстоянию между окном и зеркалом, можно варьировать, подгоняя к конкретному образцу. Сопряжение со световодами представляет интерес прежде всего в области про изводственных анализов и контроля технологических процессов, для чего пред лагаются специальные, особо надежные зонды с возможностью охлаждения. При менение подобной методики в средней ИКобласти пока еще ограничено, так как обычные материалы для световодов не обладают достаточным пропусканием. Волокна из кварцевого стекла, по возможности свободного от гидроксильных групп, пригодны для использования только в УФ/видимой и ближней ИКоблас ти спектра, то есть для волновых чисел от 4500 до 15 000 см–1 и выше. Фторид циркония (ZrF4) применим в диапазоне волновых чисел от 2200 до 10 000 см–1, то есть для области от ближней до средней ИК.

5.8. Фотоакустическая детектция Главная проблема ИКспектроскопии для большого числа твердых и пастообраз ных образцов заключается в том, что они непрозрачны и, следовательно, недо ступны для измерения в проходящем свете. В качестве альтернативы предлагают ся разные методы анализа в отраженном свете, но и они имеют свои недостатки. Направленное отражение требует наличия зеркальногладких поверхностей, для регистрации спектра диффузного отражения пробу нередко приходится измель чать и разбавлять, используя KBr, а при методе НПВО надо заботиться о воспро изводимом оптическом контакте с поверхностью сенсорного кристалла. Фотоакустическая спектроскопия предлагает простой и быстрый метод ана лиза для большей части названных категорий образцов [5.24]. Так, без всякой про боподготовки и деструкции удается исследовать твердые и полутвердые образцы. Заменив измерительную ячейку, можно, в зависимости от вида пробы, проводить измерения поглощения, диффузного отражения или пропускания на порошках, пленках, таблетках, отдельных волокнах, а также на вязких и даже жидких про бах. Фотоакустика, которая часто называется оптоакустикой, представляет собой очень чувствительный метод, при котором дополнительно регулируется еще и глу бина проникновения излучения в образец [5.25]. Фотоакустический эффект был открыт Александром Беллом в 1880 г. совер шенно случайно. Это явление основано на том, что поглощение модулирован ного ИКизлучения вызывает периодическое нагревание образца. Это приво дит к таким же периодическим изменениям температуры пробы и окружающего газа и тем самым к периодическим колебаниям давления, то есть к звуковым волнам. Белл использовал в качестве источника инфракрасного излучения сол нечный свет, а в качестве детектора в его распоряжении было только человечес

184

Глава 5. ИКспектроскопия Микрофон

Образец ИК"излучение Входное окно

Закрытая газовая камера

Рис. 5.25. Измерение поглощения фотоакустическим детектором

кое ухо. Сегодня для приема звукового сигнала используются чувствительные микрофоны [5.26]. Проба помещается в заполненную газом, герметичную измерительную ячей ку для того, чтобы исключить влияние помех окружающей среды, например зву ковых волн. Через прозрачное в ИКдиапазоне окно на образец направляется модулированное по интенсивности излучение из интерферометра (рис. 5.25). При этом некоторая часть излучения отражается прямо от поверхности, а дру гая проникает в образец с экспоненциально убывающей интенсивностью. Об разец при этом нагревается в результате поглощения широкополосного инфра красного излучения. Поглощенное тепло передается поверхности образца и в окружающую газовую атмосферу. С частотой модулированного ИКизлучения образуются волны давления в атмосфере газа, которые могут улавливаться мик рофоном. Звуковой сигнал, имеющий привычную форму интерферограммы, пред варительно усиливается, и, как стандартный детекторный сигнал в Фурьеспект рометре, обрабатывается дальше и пересчитывается на основе преобразования Фурье в спектр [5.27]. Герметичная газовая камера может быть заполнена воздухом. Более благопри ятной в этой ситуации звукопроводящей средой является гелий, что позволяет получить лучшее отношение сигнал/шум. Регистрируемая область спектра огра ничивается только материалом входного окна (обычно это KBr). Положение по лос сравнимо со стандартными ИКспектрами. Как и в случае метода НПВО, здесь тоже необходимо учитывать то обстоятельство, что глубина проникновения воз растает с уменьшением волнового числа. Поскольку при фотоакустическом эффекте сигнал вызывается только погло щенной образцом энергией, то никаких нежелательных помех здесь не бывает либо они очень небольшие. Эффект Христиансена, то есть асимметричное смещение спектральных полос при анализе порошкообразных образцов в проходящем и от раженном свете, возникающее в результате большой разницы в показателях пре ломления KBr и пробы, в данном случае совсем не проявляется. При использова нии фотоакустического детектора в качестве спектра фона используют спектр уг леродного образца. Интенсивность фотоакустического сигнала зависит как от оптических, так и от термических характеристик пробы. Интенсивность тепловых волн, генерируе

5.9. ИКмикроскопия

185

мых ИКизлучением в веществе, при прохождении через образец к его поверхно сти снижается. С учетом этого следует принимать во внимание наряду с коэффи циентом оптического поглощения также и коэффициент теплопроводности об разца. Не исключена ситуация, когда зона теплопроводности оказывается мень ше глубины проникновения излучения. В этом случае исследуемый образец мо жет обладать оптической прозрачностью, но измеряемая толщина слоя ограничена изза малого коэффициента теплопроводности. Такая ситуация приводит к воз никновению эффекта насыщения. Так как эффективная теплопроводность образца есть функция частоты моду ляции, то при изменении частоты модуляции путем варьирования скорости пере мещения отражающего зеркала интерферометра можно проводить исследования на разной глубине проникновения излучения в пробу. Высокая частота модуля ции обеспечивает малую глубину проникновения, и наоборот. Используя эту ме тодику, можно, изменяя частоту модуляции, анализировать слоистые системы при соответствующем выборе глубины проникновения. Несмотря на некоторые особые феномены, возникающие при фотоакустичес кой детекции, этот метод можно считать элегантной альтернативой традицион ным способам измерения. В этом случае удается получать спектры высокого ка чества, пригодные и для количественного анализа. Благодаря переменной глуби не проникновения возможно селективное исследование разнообразных систем покрытий.

5.9. ИКмикроскопия Инфракрасная спектроскопия уже по самой своей природе может быть отнесена к микроаналитическим методам. Для регистрации спектров твердых образцов с использованием прессования с бромидом калия достаточно, как известно, от 0,1 до 1 мг вещества. При этом диаметр светового пятна на поверхности пробы со ставляет обычно от 3 до 10 мм. Когда речь идет о том, чтобы отобрать и проанали зировать очень небольшой дефектный фрагмент в некоторой партии продукции, могут возникнуть определенные проблемы. В этом случае необходимо использо вать микроаналитические методы. До недавнего времени микроаналитика в ИКспектроскопии означала ана лиз образцов диаметром около 0,5 мм и в количестве микрограммов. Меньшие пробы, особенно если речь шла буквально о нескольких частицах, требовали боль шой подготовительной работы, затраты на которую в рутинной лабораторной практике просто не оправдывали себя. Сначала образец надо было отобрать под микроскопом и зафиксировать на материале, прозрачном для ИКизлучения. Юстировка интересующей области в канале спектрометра с помощью металли ческих полосок либо диафрагм была порой чрезвычайно затруднительна. Резуль татом подобных манипуляций были неправильные измерения и ошибочная ин терпретация спектров. Использование специальных фокусирующих устройств не привело к успеху, поскольку время собственно регистрации спектра на современном Фурьеспект рометре составляло лишь малую часть всех временных затрат на пробоподготов

186

Глава 5. ИКспектроскопия

ку. Кроме того, с обычными фокусирующими устройствами были возможны только измерения в проходящем свете, в то время как многие возникающие проблемы надо было решать с использованием отражения без контакта с образцом. С появлением инфракрасного микроскопа трудности, связанные с подготов кой образцов и прочими предварительными операциями, удалось преодолеть. Первый ИКмикроскоп появился на рынке уже в 1953 г., но для призменного мо нохроматора отношение сигнал/шум оставляло желать лучшего. Первый микро скоп, оснащенный высокопрецизионным зеркальным объективом и пригодный как для видимого, так и для инфракрасного света, успешно использовался для спектроскопических исследований в 60е годы. Однако имевшиеся тогда в распо ряжении исследователей призменные и дифракционные монохроматоры были малоэффективны. Это не позволяло в полной мере раскрыть все возможности ИК микроскопии. Современные Фурьеспектрометры, благодаря высокому разрешению, боль шой светосиле и возможности цифровой обработки спектров, значительно повы шают чувствительность определения. Поэтому мощный рывок в развитии ИК микроскопии удалось сделать только в сочетании с Фурьеприборами [5.28]. Пер вый коммерческий инфракрасный Фурьемикроскоп появился на рынке лишь в 1983 г. [5.29]. Данная методика является определенным шагом вперед не только в плане юстировки образцов и регистрации спектров, но и в процессе пробоподготовки. Стали возможны измерения как в проходящем, так и отраженном свете. Размеры образца менее 10 мкм в диаметре уже не являются проблемой. Фактически размер пробы ограничен только дифракцией используемого инфракрасного излучения в интервале длин волн от 2 до 17 мкм. Разумеется, процесс подготовки именно микропроб требует особой тщатель ности. Обработка каждой отдельной частицы может занять иногда несколько ча сов. При этом в большинстве случаев исследователь отказывается от техники мик ропрессования и размещает частицу прямо на прозрачной для ИКизлучения под ложке, прижимая ее, например, к только что расщепленному кристаллу бромида калия.

5.9.1. Техника и методика ИКмикроскопии Оптическая система инфракрасного микроскопа представляет собой результат раз работок совершенно особого направления. При этом были решены две основные сложные проблемы: поглощение инфракрасного излучения линзами, с одной сто роны, и чувствительность прозрачных в ИКдиапазоне материалов к влажности, с другой стороны. Поскольку стекло полностью поглощает ИКизлучение, то клас сическая линзовая система светового микроскопа здесь неприменима. В данном случае нельзя использовать и прозрачные для ИКизлучения материалы изза их гигроскопичности, энергетических потерь в результате отражения и чувствитель ности к механическим воздействиям. Поэтому для ИКмикроскопии пришлось со здавать абсолютно новые оптические системы, прозрачные как для инфракрасных лучей, так и для видимого света [5.31].

5.9. ИКмикроскопия

187

Детектор Окуляр Переключение направления ИК"излучения

Микроскоп Измерение в отраженном свете Образец Планшетный столик

Измерение в проходящем свете

Рис. 5.26. Оптическая схема инфракрасного микроскопа

Работа ИКмикроскопа, соединенного с Фурьеспектрометром, сравнима с работой на обычном световом микроскопе. Интересующий участок образца на блюдается через бинокуляр и центрируется на предметном столике. При выдви жении бинокуляра происходит переключение в режим инфракрасного излучения и регистрация спектра поверхности пробы (рис. 5.26). Так как и инфракрасное излучение, и используемый для наблюдения свет проходят через одну и ту же зер кальную оптическую систему, то визуально установленный участок образца со впадает с тем, который анализируется в инфракрасном свете. Поскольку ИКмикроскоп может использоваться как для измерения в прохо дящем свете, так и для измерения в отраженном свете, то и освещение образца осуществляется либо снизу, либо сбоку. Микроскопическое спектральное изме рение почти идентично стандартному макроскопическому с оценкой результатов теми же общепринятыми способами. При использовании XZкоординатного сто лика могут проводиться исследования по распределению примесей на крупнога баритных образцах.

5.9.2. Образцы для ИКмикроскопии С помощью ИКмикроскопической системы можно анализировать в первую оче редь небольшие объекты. Образец крепится на поворотном держателе, причем освещение осуществляется автоматически в проходящем либо отраженном свете. ИКизлучение проходит через образец (пропускание) или отражается от его по верхности (отражение). Результирующий луч регистрируется высокочувствитель ным детектором. Пользуясь переменными апертурами круглой или квадратной формы, можно соответствующим образом выделять пространство образца, ми нимальный диаметр которого составляет около 10 мкм.

Глава 5. ИКспектроскопия

188

Методом ИКмикроанализа исследуются в основном четыре типа проб: • • • •

образцы в малом количестве (от 0,01 до 100 микрограммов), образцы малых размеров (от 10–1 до 10–3 мм), неоднородные образцы (концентрационные флуктуации и включения) и малые концентрации вещества.

Высокая чувствительность при обнаружении следов и неоднородных включе ний на гладких поверхностях достигается благодаря использованию компьютер ной техники (с накоплением и сохранением спектров). Очень легко исследуются слоистые полимеры: для этого достаточно с помощью микротома отрезать тон кую полоску от края ламината и разместить ее на окне из KBr. После этого под микроскопом регистрируются ИКспектры каждого отдельного слоя. ИКмикроскопия весьма удобна и для идентификации в пластмассах некото рых неоднородных вкраплений, именуемых на обиходном языке «подливками», «рыбьими глазами», «веснушками» и т.д. Эта проблема играет важную роль при контроле качества и обработке рекламаций. Часто образцы бывают непрозрачны и тогда на помощь приходит режим отражения ИКмикроскопа. Результирую щие спектры отражения отличаются асимметричными полосами, напоминающи ми первую производную спектра поглощения. Такие искажения можно скоррек тировать, используя преобразование Крамерса – Кронига. Все образцы, которые можно изучать в проходящем свете и поверхности которых дают достаточное отражение, пригодны для исследований методом ИКмикро скопии. Возможны, например, определения свойств и идентификация включений в полимерных пленках, текстильных волокнах и многослойных материалах. Обла сти применения ИКмикроанализа многочисленны и разнообразны [5.32]. Этот способ используют и в научных исследованиях разного рода, при качественных анализах, аналитическом изучении объектов окружающей среды, в криминалисти ческой аналитике, для проверок на чистоту, в сфере производства полупроводни ков, при аналитических определениях в полимерах, искусственных и натуральных волокнах и т.д. ИКмикроскопия открывает все новые области применения в стан дартной аналитике, в сфере контроля изделий и технологий, а также новых разра боток во многих отраслях. Перечень возможных областей применения этого мето да чрезвычайно обширен и продолжает постоянно пополняться [5.33].

5.10. Совместное применение аналитических методов Границы между отдельными аналитическими методами все больше стираются, особенно в результате комбинирования разных инструментальных приемов. На пример, именно благодаря разнообразным вариантам сочетания с хроматографи ческими способами разделения спектрометрическая техника отлично зарекомен довала себя в роли универсального детектора при анализе отдельных веществ в смеси органических соединений. Особо следует упомянуть соединение газовой хроматографии с Фурьеспектроскопией. Этот пример отчетливо показывает, сколь весомый вклад внесла электронная обработка данных в дело развития и со

5.10. Совместное применение аналитических методов

189

вершенствования инструментальной аналитики. Многие известные технические решения были бы немыслимы без фантастических возможностей современной электроники.

5.10.1. Сочетание газовой хроматографии и ИК Фурьеспектроскопии Сила инфракрасной спектроскопии в том, что она очень характеристична для от носительно чистых веществ и дает представление об их химическом строении. Высокая информативность ИКспектров уже давно используется при сочетании данного метода с газовой хроматографией. Но сопряжение в режиме реального времени, то есть когда регистрация спектров веществ происходит в протекающем колоночном элюате, стало возможно только при быстродействии Фурьеспект рометров. Недостатком является лишь то, что предел обнаружения не достигает уровня квадрупольной массспектрометрии. Поэтому сочетание газовой хрома тографии с массспектроскопией и впредь будет играть ведущую роль при реали зации методов, сопряженных с газовой хроматографией. Поскольку при газовой хроматографии перемещение вещества через хрома тографическую колонку осуществляется только в газообразной фазе, то для дос тижения соответствующего давления пара для твердых или жидких веществ эту колонку приходится нагревать. При использовании так называемой «световой трубки» (lightpipe) по схеме, представленной на рис. 5.27, вещества из колонки газового хроматографа направляются затем по нагретой золоченой трубке, через которую проходит также инфракрасное излучение [5.34]. В результате регистри руются спектры газообразной фазы чаще всего жидких или твердых в основном агрегатном состоянии проб. Это необходимо учитывать при последующей интер претации спектров, поскольку спектры газообразной фазы могут отличаться от спектров жидкости или твердого вещества. При более трудоемкой технике вымораживания элюатов вещества, выходя щие из хроматографической колонки, подвергаются вымораживанию на пластин Элюат Параболическое зеркало

Измерительная Инфракрасный ячейка детектор

Свето" делитель

Источник ИК"излучения

Интерферометр

Подвижное зеркало

Неподвижное зеркало

Рис. 5.27. Сочетание газовой хроматографии с Фурьеспектроскопией

190

Глава 5. ИКспектроскопия

ке, охлажденной жидким азотом. Затем осуществляется регистрация спектра с поверхности пластинки. В результате накопления спектров при таком способе достигается гораздо лучшее отношение сигнал/шум. Кроме того, при комнатной температуре вещества находятся в соответствующем агрегатном состоянии, что значительно упрощает процесс поиска спектров в библиотеке. ИКспектроскопия отлично подходит для подтверждения структуры отдель ных классов веществ, не поддающихся однозначной идентификации с помощью массспектрометрии. Этот метод дает важнейшую дополнительную информацию о молекулах с небольшим числом атомов углерода, для которых фрагментация в массспектре мало характеристична, или о более крупных молекулах с очень по хожими фрагментами, как, например, у изомеров. Особый интерес представляет одновременное сочетание массспектрометрии и Фурьеспектроскопии с газо вой хроматографией. Так как при измерениях инфракрасным методом вещества не разрушаются, их можно затем потоком направлять к квадрупольному масс спектрометру. Это дает максимальный объем аналитической информации и, бе зусловно, будет иметь в будущем огромное значение в области исследования объек тов окружающей среды.

5.10.2. Сочетание термогравиметрического анализа с Фурьеспектроскопией Термогравиметрический анализ (ТГА) относится к давно известным аналитичес ким методам и используется преимущественно для исследований полимерных материалов [5.35]. Согласно этой методике образец весом от 10 до 20 мг опреде ленным образом нагревается на весах в среде инертного газа. В процессе нагрева регистрируется вес и температура образца. Прежде чем проба достигнет своей соб ственной температуры разложения, легколетучие компоненты (например, плас тификаторы и остатки растворителей) могут улетучиться. Полученный при этом график потери веса при изменении температуры и времени эксперимента являет ся характеристикой данного материала и в случае известных компонентов дает количественную информацию о пластификаторах и прочих присадках в пласт массах и резине [5.36]. Если же освобождающиеся при термообработке вещества неизвестны, то ИК спектроскопия берет на себя задачу идентификации всех улетучивающихся компо нентов в режиме онлайн. Помимо этого, во время разложения пробы образуется большой объем разных продуктов в форме газа или аэрозоля, инфракрасные спек тры которых позволяют получить в дальнейшем информацию о составе пробы [5.37]. Высвобождающиеся на термовесах газы переносятся инертным газом в на гретую газовую ячейку со скоростью от 50 до 100 мл в минуту. Соответствующий передающий трубопровод обычно тоже нагревается и дополнительно еще обли цовывается тефлоном во избежание конденсации и каталитического разложения либо поглощения компонентов (рис. 5.28). Для предотвращения вредного воз действия водяного пара окна газовой кюветы чаще всего выполняются из ZnSe. Вместе с запуском температурной программы в системе термогравиметричес кого анализа начинается регистрация спектров, осуществляемая каждые 3–5 се

5.10. Совместное применение аналитических методов Термовесы

191

Детектор Нагреваемый передающий трубопровод Нагретая газовая ячейка

Проба Окна для ИК"излучения Нагревание

Выход газа Газ"носитель ИК"излучение

Рис. 5.28. Сочетание термогравиметрического анализа с Фурьеспектроскопией

кунд. Как и в случае сочетания газовой хроматографии с Фурьеспектроскопией, здесь тоже получают газовые спектры, но при этом газовая ячейка в связи с иным объемным расходом имеет другие размеры. При подключении соответствующей ЭВМ на экран дисплея будут одновременно выводиться инфракрасные спектры и данные термогравиметрического анализа (время, температура, потеря веса). При этом в случае термогравиметрического измерения, как правило, рассчитывается дифференцированный измеряемый сигнал, то есть формируется первая производ ная от изменения веса по времени. Этот сигнал термогравиметрического измере ния обладает обычно большей информативностью, чем кривая «температура – вес». Но нередко бывает так, что выпариваются не чистые вещества, а смесь продук тов, например при анализе полимеров образуются смеси разных углеводородов и других органических соединений. Такие газовые смеси иногда удается разложить на отдельные компоненты расчетным методом по разности. Для получения точной информации о том, через какое время и при какой температуре выделяется опреде ленное соединение, необходимо использовать разделение смеси методом газовой хроматографии. С этой целью испаряющиеся из образца газы адсорбируются ак тивным углем и затем после термической десорбции разделяются на хроматографе и идентифицируются с помощью Фурьеспектрометра. На основе полученных та ким образом данных составляются очень точные термограммы. В качества примера использования термогравиметрического анализа в соче тании с ИКспектроскопией можно назвать исследование полимеров и ламина тов, горючих веществ, неорганических солей, жиров и смазочных материалов, табака, пищевых продуктов и проч. Как и в отношении других комплексных ме тодик, здесь также справедливо утверждение о том, что в аналитическом смысле подобное сочетание дает много больше, чем простое сопоставление результатов отдельных методов. Впрочем, не следует упускать из виду, что и при использова нии ТГА в сочетании с ИКспектроскопией часто происходит выделение из об разца не чистых веществ, а, как в случае полимеров, смеси разных углеводородов и других органических соединений.

192

Глава 5. ИКспектроскопия

5.11. Применение ЭВМ в ИКспектроскопии Все Фурьеспектрометры должны располагать высокопроизводительной ЭВМ для выполнения Фурьепреобразования, причем спектр в этом случае переводится в цифровую форму. Прямым следствием использования электронной обработки данных стала возможность временного сохранения спектров в оперативной па мяти (ОЗУ) компьютера или их долгосрочное хранение на магнитном носителе. При хранении преобразованных в цифровую форму спектров необходимо исклю чить всякую вероятность потери информации. Это приобретает особую важность в критических случаях, например при использовании дифференциальной спект роскопии. Поэтому в качестве стандарта для хранения спектров рекомендуется шаг по волновому числу в 1 см–1. Наряду с сохранением и воспроизведением спектров, важной задачей элект ронной обработки данных является также улучшение их качества. Добиться этого можно путем повышения отношения сигнал/шум либо применения ряда матема тических функций (растяжение, сглаживание, коррекция базовой линии) при обработке спектра. Отношение сигнал/шум в ИКспектроскопии в силу естествен ных причин значительно ниже, чем при других спектроскопических методах. Уменьшение шума требует особого внимания. Улучшения здесь можно добиться путем повторной регистрации и суммирования спектров с последующим форми рованием среднего значения (усредненного сигнала). Часто искажения в ИКспектрах возникают в результате наложения фонового поглощения. Обычно это можно скорректировать математическим способом, ис пользуя две или несколько опорных точек и вычитая затем фон из исходного спек тра. Такая компьютерная коррекция базовой линии способствует увеличению информативности спектра. Таким образом, ЭВМ может существенно улучшить качество эксперимента и наглядность представления ИКспектров. И после этого начинается решение соб ственно аналитической задачи, касающейся, например, подлинности продукта. Как раз в этой области на основе накопленного опыта по разработке подходяще го программного обеспечения удалось добиться решительного прогресса. В пер вую очередь наличие высокопроизводительных и удобных в обращении программ сделало настольные ПК незаменимым инструментом в ИКспектроскопии [5.38]. Ранее идентификацию неизвестных образцов приходилось проводить либо на основе визуального сравнения их спектров с инфракрасными спектрами хорошо изученных веществ (вспомним «область отпечатков пальцев»), либо путем интер претации ИКспектра по известным корреляционным правилам или таблицам. Но и то и другое, если это делать вручную, требует больших затрат времени. Ком пьютер же способен в течение нескольких секунд сравнить спектр незнакомого образца с ИКспектрами из библиотеки, записанной на дискете или жестком дис ке. Но при этом всегда приходится искать компромисс между успехом поиска, необходимым для этой цели объемом сохраненной информации, требуемым мес том в памяти и скоростью проведения поиска [5.39]. В результате библиотечного поиска получают список веществ, имеющих близ кие спектры, то есть отбираются спектры с самой малой суммой отклонений от

5.12. Резюме и перспективы развития ИКспектроскопии

193

исходного. Если спектр незнакомой пробы содержится в библиотеке, то он отли чается от других найденных спектров меньшей суммой погрешностей. После рас печатки списка совпадений спектры с самыми низкими суммами погрешностей загружаются из библиотеки в компьютер и для сравнения с исходным спектром все вместе отображаются на экране дисплея либо выводятся на графопострои тель. В результате можно однозначно установить, идет ли речь об идентичном или только о похожем спектре. Если спектр неизвестного образца отсутствует в биб лиотеке, то находят ближайший к нему, то есть получают в большинстве случаев ссылку на класс соединения. В случае же смесей, как правило, находят их основ ные компоненты по сходству с библиотечными спектрами. Тогда из спектра сме си вычитают найденный в библиотеке спектр и получают спектр остаточного ве щества, в отношении которого вновь можно провести библиотечный поиск. Перед началом спектрального поиска можно ввести дополнительные сведе ния: температуры плавления и кипения, показатель преломления и плотность. Это позволяет целесообразно использовать уже известную информацию и повы сить шансы на успех поиска. Распечатка списка совпадений, помимо названия соответствующего соединения, содержит также приведенные выше физические параметры. Кроме этого, предлагаются программы автоматической интерпретации спек тров. Эти программы составляют список частот полос поглощения, который пользователь может отредактировать (например, чтобы исключить частоты по глощения растворителей). На основе этих данных затем проводится собственно интерпретация спектров. В результате выдается распечатка, в которой указана вероятность присутствия определенной функциональной группы.

5.12. Резюме и перспективы развития ИКспектроскопии Высокая информативность инфракрасных спектров и их разнообразие уже давно сделали ИКспектроскопию одним из важнейших методов анализа. При этом об разцы могут исследоваться в их естественном окружении при всех возможных физических условиях. Несмотря на появление множества новых измерительно аналитических приборов, ИКспектрометры, как и прежде, остаются основным элементом оснащения химикоаналитической лаборатории. Современные ИК спектрометры стали компактнее, надежнее и одновременно эффективнее. Ин тенсивно ведется работа по созданию ИКспектрометра карманного формата. Раз работки в этом направлении могут обогатить сенсорную технику анализа in situ, преобладающую пока только в электрохимии. Наблюдаемые полосы поглощения в инфракрасной области спектра содер жат преимущественно информацию о внутренних движениях молекул, то есть колебаниях и вращениях. Почти каждое химическое соединение имеет свой соб ственный спектр, который невозможно перепутать ни с каким другим, так что вещества можно идентифицировать по «отпечаткам пальцев». Одновременно хи мически и структурно близкие соединения имеют много похожих и общих при

194

Глава 5. ИКспектроскопия

знаков в ИКспектре, поэтому незнакомые соединения можно определять по ана логичным спектрам известных веществ. Наряду с качественным анализом, ИК спектроскопия при соответствующей калибровке вполне подходит и для прове дения количественных измерений. Благодаря использованию техники на основе преобразования Фурье удалось значительно расширить информационные возможности спектров. В результате достижения на порядок лучших пределов обнаружения и высокой скорости реги страции в сочетании с использованием ПК были открыты новые области приме нения ИКспектроскопии, которые до сих пор были абсолютно недоступны тра диционным дисперсным системам. Цены на Фурьеспектрометры укладываются сегодня в категорию цен, при нятых еще несколько лет назад для продвинутых моделей дифракционных спект ральных приборов. В результате, благодаря решающему преимуществу мульти плексности и постоянно растущему удобству обслуживания, Фурьеспектромет ры сумели полностью вытеснить с рынка столь популярные в былые времена диф ракционные приборы. Применяемый в этих приборах двухплечевой интерферометр на основе раз ности оптического пути двух широкополосных, направленных перпендикулярно друг к другу инфракрасных лучей генерирует ИКсигнал с модулированной ин тенсивностью – интерферограмму. Эта регистрируемая детектором интерферо грамма является функцией подвижного зеркала и, следовательно, пропорциональ на времени. С помощью аналогоцифрового преобразователя такой сигнал пре образуется в цифровую форму, после чего вновь переводится компьютером в за висимую от частоты функцию интенсивности излучения. Основные достоинства методики на основе преобразования Фурье состоят в том, что, вопервых, все длины волн регистрируются детектором одновременно (преимущество мультиплексности) и, вовторых, световой поток не ограничен узкой щелью (преимущество в светосиле). Благодаря использованию необходи мого для Фурьепреобразований компьютера, который переводит спектр в циф ровую форму, открывается масса новых возможностей применения современных систем электронной обработки данных. В результате накопления и сохранения спектров удается даже в самых неблагоприятных условиях получить отличные спектры большой информативности. Развитие ИК Фурьеспектроскопии открыло перед химикамиисследовате лями абсолютно новые области применения. На основе сравнения эталонных спектров из цифровой библиотеки со спектром неизвестного образца можно оп ределить его состав или подобрать самые близкие к нему аналоги. При недеструк тивной идентификации веществ путем сравнения их спектров инфракрасная спек троскопия как универсальный метод не имеет себе равных, поскольку может быть использована независимо от агрегатного состояния и растворимости исследуе мого соединения. Объем предлагаемых на коммерческой основе библиотек спек тров постоянно растет. В смесях отдельные компоненты последовательно удаляются из записанного суммарного спектра в результате математического вычитания. При достаточной прозрачности матрицы удается определять даже следовые количества компонен

5.12. Резюме и перспективы развития ИКспектроскопии

195

тов на уровне ppm. С помощью инфракрасного Фурьемикроскопа можно заре гистрировать спектры частиц диаметром менее 10 мкм, даже если их абсолютное количество не превышает уровня нанограммов. При этом, как правило, исполь зуется только малая часть мощности излучения, обычно проходящего через стан дартное пространство размещения образца. Столь же энергетически ограниченными являются и разные способы измере ний в отраженном свете, такие как методы диффузного и зеркального отражения и полного внутреннего отражений. В сфере аналитических исследований произ водственных процессов и технологий эти методы переживают сегодня многообе щающий взлет, так как являются универсальным средством качественного и ко личественного анализа любых видов основных и побочных компонентов в жид ких и порошкообразных материалах.

ÃËÀÂÀ 6 ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏÈß Â ÁËÈÆÍÅÉ ÈÊ-ÎÁËÀÑÒÈ Спектральный диапазон, расположенный между участками ультрафиолетового/ви димого и инфракрасного излучения, называют ближней инфракрасной областью. Под ИКспектроскопией понимают обычно область спектра от 2500 до 25000 нм (от 4000 до 400 см–1), которую точнее можно обозначить как среднюю инфракрас ную область. Длины волн ближней ИКобласти начинаются примерно от 1000 нм, то есть в тепловом конце видимого спектра, и заканчиваются около 2500 нм. Спек троскопия ближнего ИКдиапазона переживает сейчас настоящий бум, демонст рируя рост до 15% в год. В 1988 г. в Германии была создана даже специальная ра бочая группа по вопросам спектроскопии в ближней инфракрасной области. При чиной столь бурного развития стал тот факт, что этот метод позволяет проводить локальный анализ непосредственно на месте, что, по новому действующему за конодательству, является обязательным условием при контроле качества в хими ческой и фармацевтической промышленности. Основными преимуществами спектроскопии в ближней ИКобласти являются простая и быстрая пробоподготовка, одновременное определение сразу несколь ких компонентов и возможность с помощью световодов преодолевать большие расстояния от мест измерения до спектрального прибора. В ближней ИКоблас ти вполне можно обойтись без прессования порошкообразных проб с KBr, необ ходимого при измерениях в среднем ИКдиапазоне, которое совершенно непри емлемо при проведении анализов in situ. Прежде всего, спектроскопия ближнего ИКдиапазона находит применение в области контроля параметров процессов и анализов в пищевой промышленности, которые проводятся в течение несколь ких секунд и без разрушения проб продуктов [6.1].

6.1. Различия в спектроскопии ближней и средней ИКобласти В спектре ближней ИКобласти электронные возбуждения удается наблюдать лишь в некоторых особых случаях. Так как возбуждение основных молекулярных колебаний возможно только выше 2700 нм, то в ближнем ИКдиапазоне прояв ляются вторичные колебания. Для большинства органических функциональных групп полосы основных колебаний наблюдаются в средней ИКобласти, а в ближ ней мы имеем дело преимущественно с обертонами и составными частотами ко лебаний СН, ОН и NHгрупп. Таким образом, теоретические основы метода вполне соответствуют общим принципам ИКспектроскопии. Что же касается ис пользуемой приборной техники и процессов приготовления образцов, то в этом

6.1. Различия в спектроскопии ближней и средней ИКобласти

197

отношении существует большее сходство как раз со спектроскопией УФ и види мой областей. Часто составные частоты и обертона появляются еще и в средней ИКобласти, но там их можно лишь с трудом отличить от слабых полос основных колебаний. А в ближней области наблюдаются исключительно составные полосы и обертона. Здесь проявляются частоты более высокого порядка валентных колебаний СН, ОН и NHгрупп, соответствующие основные спектральные полосы которых ле жат в диапазоне от 2800 до 3500 см–1. В связи с этим растворителями, достаточно прозрачным в ближней ИКобласти, могут быть в основном соединения, не со держащие водорода, например CCl4. Обертон колебания возникает при переходе молекулы из основного колеба тельного состояния на второй или вышележащий колебательный уровень. Сле довательно, колебательное квантовое число ν будет иметь значение 2 или больше. Вероятность таких переходов зависит от их мультиплетности. Бинарная комби нация или первый обертон с ∆ν = 2 менее вероятны, чем основное колебание, но в большей степени вероятны, чем соответствующие третичные переходы с ∆ν = 3. В соответствии с этим коэффициенты экстинкции и, следовательно, интенсив ности поглощения в спектроскопии ближней ИКобласти на порядки меньше, чем в средней. Кроме того, спектр в ближней области всегда характеризуется убы вающей интенсивностью спектральных полос с ростом волнового числа, так как здесь наблюдаются колебательные переходы более высокой мультиплетности, а вероятности этих переходов уменьшаются. На практике это компенсируется за счет изменения толщины слоя кюветы в соответствии с диапазоном измерения, то есть с возрастанием волнового числа используются кюветы большей толщины [6.2]. Ближняя ИКобласть, в свою оче редь, подразделяется на длинноволновый и коротковолновый участки. Коротко волновая часть называется фотографической ИКзоной. В качестве примера в табл. 6.1 представлены обертона валентного колебания связи СН хлороформа. Итак, вероятность перехода для первого обертона в 10–100 раз меньше, чем у основного колебания, что соответствует меньшей интенсивности полос спектра поглощения. Из таблицы видно, что рассчитать примерное положение полос обертонов можно путем простого сложения соответствующих волновых чисел. Правда, эта частота будет в незначительной степени уменьшаться изза влияния Òàáëèöà 6.1. Îñíîâíûå è ãàðìîíè÷åñêèå ñîñòàâëÿþùèå âàëåíòíîãî êîëåáàíèÿ ÑÍ-ãðóïïû ñîåäèíåíèÿ ÑÍÑl3 Êîëåáàòåëüíûé ïåðåõîä

Ïîëîæåíèå ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ íì

ñì

–1

Êîýôôèöèåíò ýêñòèíêöèè, ñì–2 ⋅ ìîëü–1

Îñíîâíîå êîëåáàíèå

3 290

3 040

25 000

1) îáåðòîí

1 693

5 907

1 620

2) îáåðòîí

1 154

8 666

48

3) îáåðòîí

882

11 338

1,7

4) îáåðòîí

724

13 831

0,15

198

Глава 6. Спектроскопия в ближней ИКобласти

ангармоничности. Для расчета положения полос обертонов справедливо следую щее уравнение: νˆ об = ∆ν ⋅ νˆ 0 (l − ∆ν ⋅ χ ),

где νˆ 0 – частота основного колебания, νˆ об – частота обертона, χ – коэффициент ангармоничности. Величина коэффициента ангармоничности для валентных колебаний СН на ходится в диапазоне от 0,01 до 0,05.

6.2. Спектрометр для ближней ИКобласти Известное сходство в техническом исполнении спектральных приборов для УФ/ видимой и ближней ИКобластей позволяет использовать комбинированный ва риант спектрометра для УФ/видимого и ближнего ИКдиапазонов. Источником излучения служит обычно галогенная лампа с вольфрамовой нитью. В роли мо нохроматора, в зависимости от назначения, используют светофильтры или диф ракционные решетки. В отношении спектрометров с диодной матрицей необхо димо иметь в виду, что обычные кремниевые диоды могут использоваться только до длины волны 1100 нм. Специальные диоды на основе арсенидов индиягаллия пригодны для длин волн до 1650 нм. Для регистрации излучения в ближнем ИК диапазоне применяют детектор из сульфида свинца, покрывающий всю ближ нюю ИКобласть спектра. Фурьеспектрометры можно легко адаптировать для работы в ближней ИКоб ласти с помощью соответствующих дополнений. При переоснащении в качестве источника излучения требуется галогенная лампа с вольфрамовой нитью, светоде литель из кварца и подходящий детектор. Разрешающая способность интерферо метра в этом случае особой роли не играет, поскольку полосы поглощения твердых и жидких проб в ближней ИКобласти спектра значительно шире, чем в средней. Источник излучения

Источник излучения

Монохроматор

Монохроматор

Детекторы Проба

Проба

Рис. 6.1. Оптическая схема отражательной спектроскопии в ближней ИКобласти

6.3. Практическое применение спектроскопии в ближней ИКобласти

199

Для измерения диффузного отражения укоренилось понятие «отражательная спектроскопия ближней ИКобласти». При измерении отраженного света исполь зуется интегрирующая сфера (сфера Ульбрихта), позолоченная изнутри и служа щая также в качестве образца сравнения (рис. 6.1). Принцип интегрирующей сфе ры известен уже более 100 лет, но особенно широкое распространение он получил только лет 30 назад с началом разработки стойких покрытий. Сферы Ульбрихта используются для измерения характеристик диффузного отражения и пропуска ния. Они могут быть покрыты также сульфатом бария, который обладает одно родным отражением в диапазоне от УФ до ближней ИК. Один или несколько де текторов располагаются внутри сферы для регистрации рассеяния.

6.3. Практическое применение спектроскопии в ближней ИКобласти В ближней ИКобласти спектра нет достаточно благоприятных условий для опре деления строения вещества на основе характеристических полос. Число возмож ных полос здесь очень велико, причем они сильно перекрывают друг друга. Кроме того, и коэффициенты экстинкции, как правило, сильно изменяются, иногда на несколько порядков. По этой причине оказались безуспешными попытки соста вить корреляционные таблицы для интерпретации спектров применительно к ближ ней ИКобласти, как это принято для среднего диапазона. Но бывают ситуации, когда незначительные структурные различия в соединениях удается определять в ближней ИКобласти лучше, чем в средней. К ним можно отнести, например, иден тификацию первичных и вторичных спиртовых групп [6.3]. Первоначально спектроскопия в ближней ИКобласти наиболее широко при менялась в пищевой промышленности, так как многие вещества, входящие в со став зернового сырья, поглощают именно в этой области. К ним относятся проте ины, жиры и масла, сахар, крахмал и вода. Поскольку возбуждаются колебания молекулярных фрагментов –ОН, –NH, –CH и –СО, которые обычно присутству ют в ингредиентах продуктов питания, то именно они особенно хорошо регист рируются в спектрах ближней ИКобласти. После размалывания образца какого либо продукта эти вещества определяются без всякого применения химических реактивов. Одновременное определение нескольких компонентов осуществляет ся с использованием градуировки по контрольным смесям известного состава. Наряду с количественным анализом, регистрация спектра в ближней ИКоблас ти используется в качестве быстрого метода проверки на идентичность при вход ном контроле продукции [6.4]. Благодаря многообразным преимуществам описанного метода, его значе ние в химической промышленности постоянно растет [6.5]. Спектроскопия ближней ИКобласти как экспрессный способ анализа используется также и при контроле качества мясной продукции. Если при ведомственных проверках чаще прибегают к затратным по времени «мокрым» химическим способам анализа, то спектроскопия ближней ИКобласти используется в качестве удобного скри нингметода [6.6]. Впрочем, в силу действующего законодательства она не мо

200

Глава 6. Спектроскопия в ближней ИКобласти

жет заменить собой утвержденные способы исследования и оценки продуктов питания [6.7]. Многокомпонентные анализы основываются на выделении спектральных полос отдельных веществ с помощью компьютерной обработки. Соответствую щая программа устанавливает для каждого отдельного компонента самую опти мальную для него длину волны. По измеренной оптической плотности образ цов вычисляются коэффициенты пропорциональности, обычно методом линей ной регрессии. После выполненной градуировки можно проводить количествен ный анализ даже очень сложных смесей, независимо от числа их компонентов. Чрезвычайно простая пробоподготовка и короткое время вычисления позволя ют в течение нескольких минут получить результаты количественного анализа, в то время как традиционный анализ занял бы от нескольких часов до несколь ких дней. Однако для определения следовых количеств вещества такой способ не годится. Благодаря малым интенсивностям полос поглощения в ближней ИКобласти спектра можно работать с гораздо большей, чем в средней ИК, толщиной слоя. Это обстоятельство серьезно упрощает процесс анализа. Типичная толщина слоя составляет 1–2 мм для неразбавленных веществ и до 10 см для растворов. Существенным преимуществом спектроскопии в ближней ИКобласти явля ется возможность использовать стекло или кварц в качестве материалов для окон, которые в этой области должны быть прозрачны. Они гораздо устойчивее по от ношению к воде и другим агрессивным химическим веществам, чем необходи мые для средней ИКобласти материалы, например KBr. Специальное кварцевое стекло для спектроскопии ближней ИКобласти пропускает не менее 80% излуче ния в интервале длин волн от 200 до примерно 3500 нм и не имеет полос, связанных с поглощением ОНгрупп. Для измерений при длинах волн более 4000 нм приме няют окна из прозрачных для ИКизлучения кристаллов – окиси алюминия и фто ристого кальция. При использовании кварца значительно упрощается работа со световодами, в то время как в средней ИКобласти внедрение световодов, с учетом используе мых при этом материалов, еще очень ограничено. Поскольку кварц и стекло ми нимально ослабляют излучение в ближней ИКобласти, можно протягивать све товоды на расстояния до 200 метров. Специальные зонды обеспечивают при этом измерения вдалеке от кюветного отделения спектрометра, что позволяет осуще ствлять контроль процессов без отбора проб. Таким способом можно следить за ходом реакций в химическом реакторе без задержек по времени [6.8]. Для количественного анализа в ближней ИКобласти можно с успехом ис пользовать метод диффузного отражения, поскольку у длинноволнового излуче ния потери света в световодах минимальны. Измерения в порошкообразных об разцах проводят с помощью специального зонда. Свет от спектрометра по свето вым волокнам подается в пробу, а отраженный свет возвращается к детектору. Та кой метод применяют, например, для обеспечения качества мучных продуктов [6.9]. При размоле муки определенные порции пшеницы с разным содержанием белка смешиваются для получения желаемого состава. При 2180 нм находится полоса поглощения NHсвязи протеина. Содержание белка можно определить

6.3. Практическое применение спектроскопии в ближней ИКобласти

201

по отношению интенсивности отражения на этой длине волны к интенсивности исходного излучения. Выбор аналитической длины волны осуществляется с по мощью узкополосных интерференционных светофильтров, смонтированных на вращающемся диске. Относительное измерение интенсивности поглощения ис ключает влияние колебаний интенсивности источника инфракрасного света на измерение. Определяемое содержание белка передается на автоматический регу лятор, который и управляет процессом смешивания муки.

6.3.1. Определение влагосодержания Самая распространенная и самая давняя сфера применения спектроскопии ближней ИКобласти – это измерение содержания влаги в продуктах. Опреде ление влажности, например пищевых продуктов, относится к тем регулярным анализам, проведение которых обусловлено технологическими, микробиологи ческими, экономическими и даже юридическими причинами [6.10]. Наряду с классическими термическими и химическими методами, основанными на суш ке образцов в сушильном шкафу, ИКизлучением или микроволновым спосо бом, а также на титровании по методу Карла Фишера [6.11], спектроскопия ближ ней ИКобласти представляет собой быстрый и недеструктивный путь опреде ления влагосодержания, пригодный для использования как в жидких, так и в твердых веществах [6.12]. Преимущество такого метода заключается в возмож ности измерений в режиме реального времени (Online) и непосредственно в потоке продуктов (Inline). Для этой цели устанавливают специальные, функци онирующие по принципу онлайн измерительные головки с защитой от пыли и брызг воды [6.13]. Кроме основного обертона гидроксильной группы при 2700 нм, в ближней ИКобласти спектра наблюдаются и разного рода составные колебания. Целый ряд комбинированных полос воды простирается вплоть до видимой спектраль ной области. Поскольку переходы с более высокой мультиплетностью обладают меньшей вероятностью возбуждения, то красное излучение поглощается силь нее, чем голубое или синее. Поэтому вода имеет в толстых слоях синезеленый цвет. При возникновении водородных связей полосы спектра поглощения стано вятся очень широкими. В зависимости от матрицы возможны сдвиги в положе нии спектральных полос и изменения их интенсивности. Вода очень сильно по глощает при 1935 нм, в то время как при 1680 нм поглощение совсем невелико (рис. 6.2). Если провести измерение относительного поглощения в этих точках, то можно сделать прямой вывод о состоянии влажности продукта. Определение содержания влаги можно осуществлять в жидких и твердых ве ществах. В жидкости проводится измерение в проходящем свете, в твердых ве ществах – в диффузном отражении. На рис. 6.3 представлены спектры безвод ного и насыщенного водой 1,2дихлорэтана в ближней ИКобласти. В зависи мости от ожидаемого диапазона концентрации, для измерения можно исполь зовать разные полосы спектра поглощения воды. Так, полосы поглощения при 1400 нм подходят для определения процентного содержания влаги, полосы при

202

Глава 6. Спектроскопия в ближней ИКобласти Пропускание, %

Длина волны, нм

Рис. 6.2.Спектр воды в ближней ИКобласти Экстинкция

Водонасыщенный

Безводный

Длина волны, нм

Рис. 6.3. Cпектры безводного и насыщенного водой 1,2дихлорэтана

1935 нм – для измерения в диапазоне промилле, а полосы при 2700 нм – для анализа в области ppm.

6.3.2. Использование спектроскопии ближней ИКобласти при вторичной переработке пластмасс По данным фирмы Duales System Deutschland GmbH, в 1993 г. было израсходова но почти 900 000 тонн упаковочного материала из пластмассы. Возможность вто ричного использования этих материалов представляется наилучшим способом удержания столь устрашающей горы мусора в приемлемых границах. Из несорто вой пластмассы можно, конечно, с помощью дорогостоящей гидрогенизации вновь получать олигомерное сырье. Однако более благоприятную альтернативу такой утилизации представляет вторичная переработка материалов. Обязатель ным условием регенерации высококачественных пластмасс является их четкое разделение по сортам. В современных условиях разделение осуществляется вруч ную, частью иногда полуавтоматически. Требуемой чистоты сорта при таком спо собе обеспечить не удается.

6.4. Резюме и перспективы развития спектроскопии в ближней ИКобласти

203

С помощью спектроскопии в ближней ИКобласти можно идентифицировать разные виды пластмасс. В непрерывном режиме свет, отраженный от пластико вых изделий, анализируется спектрометром на диодной матрице с расшифровкой результата в течение нескольких миллисекунд. Так как инфракрасное излучение проникает в материал пробы на определенную глубину, то посторонние вещества вроде наклеек или простой грязи не мешают процессу измерения. Благодаря это му даже комбинированные материалы (например, картонные упаковки для на питков) удается четко отличать от прочих пластиков. Подобный анализ прово дится бесконтактно, на расстоянии до 1 метра, принимая во внимание разные способы транспортировки и различные размеры и формы пластиковых деталей. Разработка полностью автоматической сортировальной установки была реа лизована под эгидой Европейского союза и предлагается под названием «Post Consumer Plastic Recycling – OnlinePick up, OnlineAnalysis, OnlineSorting».

6.4. Резюме и перспективы развития спектроскопии в ближней ИКобласти Первоначально отношение к спектроскопии ближней ИКобласти было несколько настороженным. При наличии множества полос поглощения и их перекрывании интерпретация спектров оказалась не столь простой, как в среднем ИКдиапазо не. Однако, учитывая явные достоинства метода (доступность материалов для окон, возможность использования световодов и удобную для измерения толщину слоя), предпочтение все чаще отдавалось ближней ИК, которая со временем прак тически вытеснила спектроскопию среднего ИКдиапазона в сфере анализа про изводственных процессов. В отличие от общей лабораторной аналитики, при ана лизах в процессе производства речь идет о большом количестве веществ, в отно шении которых обычно можно обойтись без интерпретации их спектров. В на стоящее время существует два типа измерительных приборов. Спектрометры, служащие для выяснения молекулярного строения вещества (приборы средней ИКобласти), и контрольные устройства, то есть мониторыанализаторы, прове ряющие пробы, как правило, в режиме реального времени на наличие определен ных компонентов или контролирующие значения тех или иных суммарных пара метров (приборы ближней ИКобласти). Аналитический контроль продуктов должен осуществляться максимально быстро, поскольку опасность отклонений от стандарта требует оперативного вме шательства в технологический процесс. В этом плане спектроскопия ближней ИК области позволяет в значительной степени отказаться от пробоподготовки как таковой, что ускоряет и удешевляет собственно процесс анализа. При определе ниях в режиме реального времени или в потоке проба направляется по обводной линии в кювету спектрометра либо сопряженный со световодом измерительный зонд вводится прямо в реактор. При этом не рассматриваются отдельные полосы поглощения, а оценивается весь спектр по нескольким хемометрическим параметрам. Благодаря лучшему отношению сигнал/шум такой подход только укрепляет позиции спектроскопии

204

Глава 6. Спектроскопия в ближней ИКобласти

ближней ИКобласти по сравнению со средним диапазоном. Весьма удобные в обращении программы позволяют упростить градуировки при проведении ана лиза, в том числе и для очень сложных реакционных смесей. Кроме того, хемо метрическое программное обеспечение в сочетании с возможностью компьюте ризованного управления приборами и устройствами подачи проб позволяют ав томатизировать процесс анализа. Это касается как органических, так и неоргани ческих систем. Растворы солей в воде можно контролировать с использованием методики многокомпонентного количественного анализа. Необходимо, однако, учитывать тот факт, что перед использованием спектро скопии в ближней ИКобласти для аналитического контроля производственных процессов требуется порой весьма длительная калибровка и четкое подтвержде ние ее достоверности. Лучшим вариантом в этом случае будет создание библиоте ки спектров подлежащих контролю продуктов. Чтобы обеспечить методу доста точную надежность, для каждого отдельного вещества следует записать серию спектров с разными концентрациями и стандартами в широком диапазоне пара метров. Тенденция широкого внедрения спектроскопии в ближнем ИКдиапазоне обыч но не касается центральных аналитических лабораторий, так как подобные анали заторы чаще всего используют непосредственно на месте. При этом пользователи порой отнюдь не являются специалистами, а остаются всего лишь потребителями. Благодаря простоте и удобству обслуживания оборудования в сочетании с компью терной поддержкой это направление развивается и укрепляется. И здесь, конечно, существует различие между пользователями, обладающими специальными знани ями в области аналитической химии, и пользователями, имеющими опыт работы с автоматическими системами, но без серьезной базовой подготовки по нужным ас пектам конкретной отрасли.

ÃËÀÂÀ 7 ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏÈß ÊÎÌÁÈÍÀÖÈÎÍÍÎÃÎ ÐÀÑÑÅßÍÈß Анализ по спектрам комбинационного рассеяния можно считать дополнением к ИКспектроскопии, ибо этот метод тоже обеспечивает непосредственное опреде ление частот вращения и колебания молекул. Известный эффект Рамана своим спо собом поглощения квантов энергии и возбуждения вращений и колебаний значи тельно отличается от всех прочих молекулярных спектров. Здесь речь идет не об эмиссионной либо абсорбционной спектроскопии, а о спектроскопии рассеянно го излучения. Неупругое рассеяние света было открыто в 1928 г. индийским физи ком В. Раманом, который в 1930 г. был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы в области рассеяния света и открытие, названное его именем. Спектры комбинационного рассеяния получают при облучении образца све том определенной длины волны. При взаимодействии света с пробой начинается процесс неупругого рассеяния, именуемый эффектом Рамана, или комбинаци онным рассеянием. Возникающее при этом рассеянное излучение регистрирует ся в виде так называемого спектра комбинационного рассеяния, или спектра Ра мана. Наблюдаемые линии такого спектра могут быть однозначно отнесены к колебаниям молекул исследуемого вещества и в зависимости от значения часто ты, интенсивности и формы линий позволяют сделать вывод о структуре и иден тичности пробы. Вследствие разных условий возбуждения в спектре комбинационного рассея ния можно исследовать колебания, неактивные в ИКспектре, и наоборот. Дру гие колебания могут быть активны либо неактивны как в ИКспектре, так и в спектре комбинационного рассеяния. Путем одновременного использования обо их методов удается простым способом определять структурные признаки соеди нений. При этом, как и в ИКспектроскопии, могут исследоваться твердые, жид кие и газообразные пробы. Еще одно преимущество состоит в том, что спектры комбинационного рассеяния наблюдаются в видимой спектральной области, что позволяет применять кюветы из стекла или кварца. Кроме того, можно обойтись без пробоподготовки либо свести эту процедуру к минимуму, причем метод ком бинационного рассеяния особенно удобен при проведении анализов водных ра створов. Хотя спектр комбинационного рассеяния считается своего рода дополнени ем к ИКспектру, спектроскопия комбинационного рассеяния получила меньшее распространение, чем методика на основе ИКизлучения. Основную причину это го следует искать в проблемах, связанных с сигналами фона при анализах по спек трам комбинационного рассеяния. Чувствительность таких анализов не очень ве лика, и некоторые вещества, прежде всего стекло и ряд полимеров, дают чрезвы чайно слабые спектры комбинационного рассеяния. Поэтому любое резонанс

206

Глава 7. Спектроскопия комбинационного рассеяния

ное взаимодействие, например флуоресценция, способно полностью перекрыть спектр комбинационного рассеяния. Единственное практическое решение про блемы флуоресценции часто состоит в использовании возбуждающего света, длина волны которого находится вне пределов возбуждения флуоресценции. До недавнего времени применение спектроскопии комбинационного рассея ния изза склонности к флуоресцентным помехам, вызываемым либо самим образ цом, либо незначительными примесями, ограничивалось специальными химико аналитическими целями. Причина появления указанного нежелательного побоч ного эффекта была связана с использованием видимого и УФсвета. С внедрением лазеров, дающих в диапазоне спектра от видимой до ближней ИКобластей интен сивный свет высокой монохроматичности, спектроскопия комбинационного рас сеяния получила сильный импульс к своему дальнейшему развитию [1.7]. Несколь ко лет назад был предложен достаточно мощный лазер ближней ИКобласти для использования в Фурьеспектрометрах, сделанных с расчетом на обнаружение из лучения комбинационного рассеяния. Это способствовало разработке и популяри зации Фурьеспектроскопии комбинационного рассеяния [7.2]. Такой недостаток методики комбинационного рассеяния, как дополнитель ная мешающая флуоресценция, удалось устранить именно благодаря переориен тации техники на ближнюю ИКобласть, причем лазер оказался просто идеаль ным источником излучения. Лазер, работающий в ближней ИК, практически ис ключает появление флуоресценции и одновременно гарантирует щадящую обра ботку пробы без опасности ее разложения под действием фотолиза или тепловой нагрузки. Параллельно с этим были значительно усовершенствованы как собственно спектрометрическая техника, так и детекторные системы. Сбор, обработка и оцен ка полученных данных осуществляются с помощью высокопроизводительных компьютеров. На фоне столь перспективных преобразований роль спектроско пии комбинационного рассеяния как методики, дополняющей ИКспектроско пию, резко выросла и позволила ей вновь занять место среди стандартных лабо раторных технологий. Повышенная частотная прецизионность Фурьеприборов комбинационного рассеяния обеспечивает получение спектров образца с требуе мой воспроизводимостью без частотной калибровки, что открывает путь к на дежной расшифровке спектров. Поскольку, как показывает практика, изготови тели Фурьеприборов комбинационного рассеяния в большинстве случаев зани маются также производством ФурьеИКспектрометров, для решения описанных выше проблем существует соответствующее стандартное программное обеспече ние. Спектр комбинационного рассеяния сегодня регистрируется столь же про сто, как и ИКспектр.

7.1. Теоретические основы спектроскопии комбинационного рассеяния Спектры комбинационного рассеяния наблюдаются в том случае, когда монохро матическое излучение падает на молекулы перпендикулярно направлению наблю

7.1. Теоретические основы спектроскопии комбинационного рассеяния

207

дения и происходит спектральное разложение рассеянного света. При воздействии видимого или УФсвета электронные орбитали молекул смещаются из своего рав новесного положения. Это значит, что электроны колеблются с частотой, равной частоте возбуждающего света. В результате этого они сами становятся источни ками излучения, так называемого рэлеевского рассеяния, которое обладает той же частотой, что и возбуждающий свет. Вся поглощенная из первичного излуче ния энергия вновь отдается во вторичном излучении, поэтому никакого измене ния количества энергии молекулы при рэлеевском рассеянии не происходит. Элек троны при этом не возбуждаются, а остаются в своем первоначальном конфигу рационном пространстве. Предпосылкой этого служит то обстоятельство, что дли на волны возбуждающего излучения достаточно сильно удалена от полосы спектра поглощения, обусловленной электронным переходом между двумя энергетичес кими состояниями молекулы. Таким образом, основная доля рассеянного света имеет ту же частоту, что и возбуждающий свет. Чем легче смещаются электроны в молекуле, то есть чем выше их готовность к поляризации, тем сильнее деформируются электронные орбита ли. Поскольку в случае таких деформаций речь идет преимущественно об элект ронах, ответственных за установление химической связи и, следовательно, опре деляющих межатомные расстояния и углы между связями, то с изменением их геометрической структуры может произойти также изменение этих расстояний и углов. Подобное варьирование положения связанных друг с другом атомов или сегментов молекулы приводит к атомным и, соответственно, молекулярным ко лебаниям. В то время как при ИКспектроскопии эти колебания возбуждаются, так сказать, напрямую, при спектроскопии комбинационного рассеяния возбуж дение осуществляется своеобразным «обходным путем» – путем деформирова ния электронных орбиталей. Необходимые для возбуждения кванты энергии отнимаются при этом у пада ющего излучения. Тогда наряду с рэлеевским рассеянием появляется несколько линий, сдвинутых относительно линии возбуждения на совершенно определен ные величины частот. Удаленность этих линий комбинационного рассеяния от линии падающего излучения не зависит от ее частоты. Разности между возбужда ющей частотой и частотами этих линий спектра комбинационного рассеяния есть так называемые частоты Рамана, идентичные колебательновращательным час тотам молекул, которые могут определяться на основе ИКспектроскопии. В спек тре сдвиг частоты комбинационного рассеяния от линии Рэлея указывается в виде волнового числа в см–1, как и в ИКспектроскопии. Рисунок 7.1 показывает в ка честве примера спектр комбинационного рассеяния тетрахлорметана. Большая часть рассеянного света имеет частоту падающего излучения и воз никает в результате поглощения и вторичной эмиссии. Спектр комбинационного рассеяния состоит из гораздо более слабых линий, относящихся к более высокой и более низкой энергии. Здесь следует различать стоксовы линии, появляющиеся при более низкой частоте, и антистоксовы линии, соответствующие более высо ким частотам. Стоксовы линии наблюдаются, когда при неупругом столкновении между фо тоном и молекулой последняя поглощает энергию в размере одного колебательно

208

Глава 7. Спектроскопия комбинационного рассеяния Интенсивность

Линия Рэлея

Сдвиг частоты при комбинационном рассеянии, см–1

Рис. 7.1. Спектр комбинационного рассеяния тетрахлорметана

го или вращательного кванта ∆Е. Фотон теряет при этом соответствующее количе ство энергии; согласно отношению ∆Е = h ⋅ ν, частота сдвигается на величину ν. Напротив, антистоксовы линии возникают, когда молекула находится как раз в возбужденном колебательном или вращательном состоянии, причем фотон по глощает энергию этого колебательного или вращательного кванта, так что часто та линии спектра комбинационного рассеяния будет на ν больше частоты линии спектра возбуждающего излучения. Молекула при этом вновь попадает в более низкое состояние возбуждения или в основное состояние. С помощью когерент ной антистоксовой спектроскопии комбинационного рассеяния определяются, например, очень высокие температуры при процессах горения, а именно с боль шим временным и пространственным разрешением (рис. 7.2). Поскольку возможны как комбинированные переходы, так и чисто колеба тельные и вращательные переходы, спектр комбинационного рассеяния распада ется на линию возбуждения, так называемую линию Рэлея, и линии колебатель Виртуальные состояния

Линия Рэлея

Стоксовы линии

Антистоксовы линии

Рис. 7.2. Схема энергетических уровней для стоксовых и антистоксовых линий

7.2. Правила отбора

209

ного спектра, причем все они обладают тонкой вращательной структурой. Линии вращательного спектра, как и в ИКспектроскопии, можно наблюдать только на газообразных пробах, а в случае жидких и твердых веществ вращательные перехо ды проявляют себя исключительно в уширении линий колебательного спектра. Так как большинство молекул при комнатной температуре находится в основном колебательном состоянии, антистоксовы линии, соответствующие переходам с вы шележащих на нижележащие энергетические уровни, как правило, имеют (если это касается колебательных переходов) лишь очень малую вероятность. Следовательно, типичный спектр комбинационного рассеяния обычно содержит – наряду с линией Рэлея – высокоинтенсивные стоксовы и малоинтенсивные антистоксовы линии.

7.2. Правила отбора Как и в ИКспектроскопии, для комбинационного рассеяния также существуют определенные правила отбора. ИКсвет поглощается, если при этом изменяется дипольный момент молекулы. При комбинационном рассеянии происходит ана логичное взаимодействие между светом и поляризованным состоянием молекулы. При взаимодействии молекул со светом электроны приводятся в колебательное состояние в меру их способности к сдвигу, задаваемой имеющимся поляризован ным состоянием. В результате изменения такой поляризуемости во времени, чем обусловлено и изменение электрического дипольного момента, молекулы могут войти во взаимодействие с излучением. Поэтому на частоту рассеянного излучения способны воздействовать только такие колебания и вращения, при которых поля ризуемость варьируется относительно вектора поля излучения. Итак, комбинационноактивными являются вращения и колебания молекул, при которых с вращательным или колебательным движением изменяется поляризация молекул. ИКактивны вращения и колебания молекул, при которых с вращательным или колебательным движением изменяется электрический дипольный момент. Из таких правил отбора вытекает следующее: в молекуле с центром симмет рии все колебания, симметричные этому центру, ИКнеактивны, то есть запре щены, но они комбинационноактивны; напротив, колебания, не симметричные по отношению к центру симметрии, комбинационнонеактивны, но зато, как правило, ИКактивны (см. табл. 7.1). Это чрезвычайно важный вывод, указываю щий на то, что оба этих спектра дополняют друг друга. Òàáëèöà 7.1. ÈÊ- è êîìáèíàöèîííàÿ àêòèâíîñòü ðàçíûõ òèïîâ êîëåáàíèé ìîëåêóëû ÑÎ2 Òèï êîëåáàíèé

Îïèñàíèå

Àêòèâíîñòü èíôðàêðàñíàÿ

êîìáèíàöèîííàÿ

→ ← Î=Ñ=Î

Ñèììåòðè÷íûå âàëåíòíûå êîëåáàíèÿ

íåàêòèâíû

àêòèâíû

→ ← → Î=Ñ=Î

Àñèììåòðè÷íûå âàëåíòíûå êîëåáàíèÿ

àêòèâíû

íåàêòèâíû

↑ ↑ Î=Ñ=Î ↓

Äåôîðìàöèîííûå êîëåáàíèÿ

àêòèâíû

íåàêòèâíû

210

Глава 7. Спектроскопия комбинационного рассеяния

При симметричном валентном колебании молекула растягивается и сжима ется, причем изменяется концентрация электронов в элементе объема и, следо вательно, готовность этой молекулы к поляризации. Поэтому такое колебание комбинационноактивно. А вот дипольный момент при этом колебании не изме няется, то есть оно ИКнеактивно. Понятно, что в случае антисимметричного валентного колебания наблюдаются противоположные отношения. В области эмпирических исследований комбинационное рассеяние предла гает в принципе те же возможности определения химического строения. К недо статкам анализа по спектрам комбинационного рассеяния можно отнести очень низкую интенсивность спектральных линий, на которую приходится всего около 1% общего рассеянного излучения. Интенсивность линий комбинационного рас сеяния определяется готовностью молекулы к изменению поляризации во время колебания.

7.3. Спектрометр комбинационного рассеяния Прибор для проведения анализов по спектрам комбинационного рассеяния вклю чает в себя источник возбуждающего света высокой интенсивности, камеру образ ца с держателем, монохроматор для спектрального разложения рассеянного света и детектор (рис. 7.3). Для возбуждения требуется монохроматический свет с длиной волны, достаточно далеко отстоящей от участка спектра поглощения исследуемой пробы. Ранее в качестве источника излучения использовались ртутные лампы, из спектра которых выделялась обычно линия, имеющая длину волны 435,8 нм. Сегодня в качестве источника возбуждающего света используются в большин стве случаев длинноволновые лазеры. Лазер на иттрийалюминиевом гранате, легированном неодимом, излучает в ближней ИК при длине волны 1064 нм, что исключает проблему, связанную с флуоресценцией исследуемого образца. При этом высокую входную энергию лазера нередко понижают посредством нейтраль ного фильтра – во избежание нагревания или термического разложения проб. Тогда лазер может работать с большой мощностью и относительно низкими шу мами. Помимо прочего, высокая направленность лазерного луча позволяет про водить измерения на поглощающих твердых, жидких или газообразных пробах совсем малого объема. Существует две принципиальные возможности регистрации спектра комби национного рассеяния. В классическом варианте предпочитается дифракцион Комбинационная Фильтр трубка Выделение линии с длиной волны 435,8 нм

Детектор

Монохроматор

Ртутная лампа

Рис. 7.3. Блоксхема спектрометра комбинационного рассеяния

7.3. Спектрометр комбинационного рассеяния

211

ная решетка в качестве диспергирующего элемента. Для подавления рассеянного света применяют двойные монохроматоры с голографическими решетками. С помощью двойных, тройных или даже четверных монохроматоров достигается максимально полное подавление рассеянного света. Двойной монохроматор со стоит из двух отдельных монохроматоров, связанных оптически и механически таким образом, что они одновременно настраиваются на одинаковую длину вол ны. Это осуществляется и в так называемой аддитивной и в субтрактивной кон фигурациях. Когда сопряжены два монохроматора в аддитивной схеме, спектр выходного излучения первого монохроматора попадает на вход второго монохроматора и там дистергируется во второй раз. В этом случае двойной монохроматор может гене рировать двойную дисперсию одиночного монохроматора. В субтрактивной схе ме выход одного монохроматора сопряжен со вторым блоком таким образом, что двойной дисперсии света не происходит. С этой целью второй монохроматор ус танавливается как бы «вниз головой», чтобы дифракционные решетки обеих сис тем вращались относительно друг друга. В нормальной ситуации свет на выходе монохроматора не показывает однородного распределения. Это всегда неболь шой участок спектра. При наличии двойного монохроматора в субтрактивной схеме оба блока обеспечивают дисперсию в противоположных направлениях. В результате этого свет над выходной щелью становится однородным. Дисперсия не возрастает и определяется только первым монохроматором, но рассеянный свет заметно уменьшается. Для регистрации излучения, в том числе и слабого комбинационного рассея ния, детектор должен обладать высокой чувствительностью и одновременно низ ким фоном. С этой задачей благодаря его замечательной чувствительности от лично справляется фотоумножитель, подлежащий охлаждению в целях сниже ния шумов темнового тока. И все же процесс записи спектра с высоким уровнем информативности длится порой несколько часов. При необходимости ускоренной регистрации комбинационных спектров для задач детектирования находят применение также диодные матрицы и приборы с зарядовой связью (ПЗС) [7.3]. В этих условиях могут исследоваться и кинетические процессы. Как при спектроскопии в ближней ИКобласти, здесь тоже необходимо учитывать ограниченный диапазон длин волн диодов. Поскольку для записи пол ного спектра комбинационного рассеяния требуется сдвиг порядка 4000 см–1 от источника возбуждающего света, то при использовании лазера на иттрийалю миниевом гранате, легированном неодимом, кремниевые диоды заменяются ди одами на основе индия/галлия/арсенидов. При этом может измеряться комбина ционный сдвиг до 3335 см–1 (рис. 7.4). Другая возможность расширения диапазо на измерения состоит в применении лазера с меньшей длиной волны. В качестве еще одного возможного способа детектирования комбинационно го рассеяния предлагается интерферометр Майкельсона. ФурьеИКспектрометр можно получить довольно простым и дешевым способом, переоснастив пристав ку Рамана в прибор комбинационного рассеяния с Фурьепреобразованием [7.4]. Благодаря этому достигается преимущество мультиплексности спектроскопии по принципу Фурьепреобразования. Здесь используются как отдельные спектраль

212

Глава 7. Спектроскопия комбинационного рассеяния

Предел обнаружения с In/Ga/As&диодами

Предел обнаружения с Si&диодами

Длина волны, см–1 Комбинационный сдвиг 4000 см–1 Комбинационный сдвиг 3035 см–1

Комбинационный сдвиг 304 см–1

Длина волны, нм Лазер на иттрий& алюминиевом гранате, легированном неодимом

Рис. 7.4. Пределы измерения сдвига комбинационного рассеяния при использова нии диодных матриц

ные приборы, так и комбинированные варианты – ФурьеИКспектрометры ком бинационного рассеяния. В качестве источника возбуждающего света для ком бинационного рассеяния хорошо зарекомендовал себя все тот же лазер на ит трийалюминиевом гранате, легированном неодимом. Правда, применяя подоб ное оборудование, не стоит забывать о том, что ИКдетекторы гораздо менее чув ствительны, чем используемые в видимой области фотоумножители. Это значит, что спектры комбинационного рассеяния с Фурьепреобразованием не достига ют качества традиционных спектров комбинационного рассеяния [7.5]. Поскольку интенсивность линий спектра комбинационного рассеяния, кро ме прочего, зависит от энергии, то есть от длины волны источника лазерного из лучения, то это означает потерю интенсивности подлежащего обнаружению рас сеянного света при использовании длинноволнового света лазера. Данный неже лательный эффект удается компенсировать за счет преимуществ техники Фурье преобразования, ибо световой поток в Фурьеспектрометре, как минимум, на два порядка сильнее. Комбинационное рассеяние наблюдается обычно под углом 90° или 180°. Оно собирается над большим телесным углом в линзе или в эллипсоидном зеркале с позолоченным покрытием. Рассеянный свет направляется через систему фильт ров, чтобы исключить сильную линию Рэлея, интенсивность которой превышает интенсивность комбинационного рассеяния в 104 раз и более. Чтобы можно было регистрировать как стоксовы, так и антистоксовы линии, расположенные непос редственно рядом с рэлеевской линией (±100 см–1), к используемой системе филь тров предъявляются повышенные требования. С одной стороны, такие фильтры обязаны обеспечивать очень узкополосное выделение рэлеевской линии; с другой стороны, они должны быть максимально прозрачны в остальном диапазоне длин волн. С учетом малой ширины спектраль

7.4. Практическое применение спектроскопии комбинационного рассеяния

213

ных полос и большой крутизны кромок для этой цели все чаще используются го лографические режекторные фильтры вместо диэлектрических интерференцион ных фильтров, причем это происходит как в традиционной, так и в Фурьекомби национной технике. Подобные фильтры предлагаются в большом интервале длин волн с оптимальным блокированием за счет угловой корректировки. Пропускание в области стоксовых и антистоксовых линий остается одинаково высоким.

7.4. Практическое применение спектроскопии комбинационного рассеяния Спектроскопия комбинационного рассеяния еще 20 лет назад использовалась в химической и петрохимической отраслях в качестве специальной методики при изучении характеристик химических соединений. С тех пор эта техника обогати лась множеством дополнительных приемов и считается в настоящее время стан дартным способом, применяемым в химикоаналитических лабораториях и на промышленных предприятиях для контроля производственных процессов. Отни мающий много времени этап пробоподготовки, необходимый для некоторых иных спектроскопических методов, в области спектроскопии комбинационного рассе яния практически ничтожен. Здесь измерения можно проводить прямо в стек лянных сосудах либо в водном растворе. Широкое применение получил данный метод при качественном и количе ственном анализах полимеров и эмульсий, смесей растворителей и водных тех нологических растворов. Важным достоинством спектроскопии комбинацион ного рассеяния является возможность анализа сложных многокомпонентных сме сей, а также веществ, близких по строению и составу. В сфере аналитики объек тов окружающей среды спектроскопия комбинационного рассеяния незаменима при исследованиях грунтовых и поверхностных вод. Без всякой специальной под готовки проб анализируются, например, металлокомплексы, фенолы, карбонаты и органические кислоты. В области биомедицины изучается строение белков, полипептидов и других соединений из нашего физиологического окружения. На основе спектроскопии поверхностноусиленного комбинационного рассеяния (surface enhanced Raman spectroscopy, SERS) успешно изучаются характеристики иммуноглобулина, олигосахаридов, холестерина, липидов и других биологичес ки активных молекул [7.6]. Так как комбинационное рассеяние прозрачных пластмасс относительно не велико, этот метод вполне годится для анализа упакованных продуктов. Состав таблеток в блистерной упаковке или пищевых продуктов в пластиковой пленке удается определять, не вскрывая упаковку. Слабый спектр упаковочного матери ала легко убрать вычитанием. На основе методики комбинационного рассеяния можно исследовать такие материалы, как природные и искусственные алмазы, кристаллический графит и некристаллический углерод. Кроме прочего, рассматриваемый метод является един ственным недеструкционным способом анализа различных модификаций углеро дов. Он пригоден и для исследований керамических материалов. Могут анализиро

214

Глава 7. Спектроскопия комбинационного рассеяния

ваться, в частности, тонкие слои, спектроскопическая характеристика которых иным способом (без контакта и без разрушения образца) невозможна.

7.5. Резюме и перспективы развития спектроскопии комбинационного рассеяния Для измерения общего комбинационного рассеяния требуются источники излу чения очень высокой интенсивности, для чего прежде предлагались только ртут ные лампы. Однако они имели тот недостаток, что излучали в том интервале длин волн, где для большого числа веществ возбуждается флуоресценция. В силу этих и иных причин спектроскопия комбинационного рассеяния была востребована достаточно мало. В результате применения лазера как источника очень интен сивного и высокомонохроматического излучения роль данной методики резко воз росла. Путем сдвига длины волны возбуждения в ближнюю ИКобласть спектра удалось устранить проблему флуоресценции проб. Параллельно с этим продол жала успешно развиваться и совершенствоваться приборная техника с высоко эффективными монохроматорами и детекторами. Сегодня, благодаря внедрению микроэлектроники, предлагаются компьюте ризованные спектрометры комбинационного рассеяния с цифровой регистрацией и обработкой данных, агрессивно вытесняющие в настоящее время ИКспектро метры. Но два этих колебательноспектроскопических метода – ИКспектроско пия и спектроскопия комбинационного рассеяния – не могут взаимно замещать ся, а должны лишь дополнять друг друга. Расхождения в правилах отбора чрезвы чайно благоприятны для всех исследований взаимодействия колебаний в одной молекуле. ИКнеактивные колебания часто бывают комбинационноактивны, и наоборот. Поэтому для изучения строения молекулы необходима расшифровка обо их спектров. По распределению колебательного поглощения в ИК и, соответственно, ком бинационном спектрах можно сделать заключение о симметрии молекул. Кроме того, нередко проявляются разные интенсивности поглощения отдельных функ циональных групп. В то время как в ИКспектре полярные группы дают интен сивные полосы, в спектре комбинационного рассеяния, напротив, интенсивные полосы показывают неполярные группы. Спектроскопия комбинационного рассеяния все больше приближается к уров ню стандартных методов, успешно применяемых при решении насущных про блем в химии, биологии и медицине. По степени информативности спектроскопия комбинационного рассеяния нисколько не уступает колебательной спектроскопии, не говоря уже о том преиму ществе, что, с учетом используемого диапазона от видимой спектральной области до ближней ИК, в первом случае можно прибегать к помощи световодов. Соответ ствующие зонды позволяют при этом проводить измерения вне спектрометра, ус пешно реализуя аналитические исследования в производственной сфере. Наряду с лазером на иттрийалюминиевом гранате, легированном неодимом, находят применения и лазеры, излучающие в видимой области спектра, – аргоно

7.5. Резюме и перспективы развития спектроскопии комбинационного рассеяния

215

вые или на ионах криптона. Они отличаются тем замечательным качеством, что не вызывают разрушения исследуемого образца под действием тепловых процессов. Следует, впрочем, напомнить, что при наличии флуоресцирующих веществ источ ник возбуждающего света должен обязательно оставаться в ближней ИКобласти спектра. Традиционные спектрометры комбинационного рассеяния с двойными или тройными дифракционными решетками и фотоумножителем в качестве детекто ра обладают наилучшей спектральной чувствительностью. При использовании диодных матриц эффективность подавления рассеянного света этих монохрома торов несколько снижается в связи с соответствующим раскрытием щелей. Эшел ле, давно и успешно практикуемые в атомноэмиссионной спектроскопии, обес печивают отличное подавление рассеянного света также и в спектрометрах ком бинационного рассеяния. Недостатком здесь является, пожалуй, лишь очень ма лая светосила. Инновационные способы многоканального обнаружения предлагаются на основе ПЗСчипов (приборов с зарядовой связью). Охлаждае мые ПЗСдетекторы демонстрируют высокое разрешение и хорошую чувствитель ность. Наряду с традиционной спектроскопией комбинационного рассеяния суще ствуют и более современные методики, реализация которых требует пока доволь но сложного аппаратурного оформления и значительных финансовых затрат. В случае этих так называемых нелинейных методов речь идет о спектроскопичес ких эффектах, открытых исключительно благодаря внедрению лазера в качестве источника возбуждающего света. Пример: когерентное антистоксово комбина ционное рассеяние и обратное комбинационное рассеяние. Фотоакустический детектор тоже находит применение в технике комбинационного рассеяния.

ÃËÀÂÀ 8 ÌÈÊÐÎÂÎËÍÎÂÀß ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏÈß В частотном диапазоне от 8 до 40 ГГц электромагнитного излучения молекулы возбуждаются до состояния вращения. Поскольку только эти дискретные пере ходы между энергетическими уровнями вращающихся молекул могут рассмат риваться изолированно, спектроскопию такого рода называют еще вращатель ной. Итак, микроволновая область спектра с длинами волн в диапазоне от сан тиметров до субмиллиметров примыкает к дальней ИКобласти. При этом ме тодика эксперимента принципиально отличаются от таковой для всех прочих спектральных областей, поскольку в основе ее лежит высокочастотная техника. Вообще, развитие микроволновой спектроскопии стало возможно только бла годаря радиолокационным приборам и технике связи, обеспечившим условия для генерации и приема сантиметровых и миллиметровых волн. Лишь корот коволновую часть спектра можно исследовать с помощью оптических спектро метров. Служащий для генерации излучения отражательный клистрон дает строго мо нохроматический свет, варьируемый в пределах определенного диапазона частот. Поэтому в СВЧспектроскопии не нужна диспергирующая система (дифракци онная решетка). Крайняя монохроматичность выходного излучения и точность измерения частоты сообщают этой технике чрезвычайно высокую прецизион ность. Но измеряться могут только газы сильного разрежения, поскольку в СВЧди апазоне столкновительное уширение линий спектра поглощения изза малой раз ности энергетических уровней становится особенно мешающим фактором. При многоатомных молекулах низкой симметрии расшифровка вращательных спект ров довольно сложна. Для исследования бывает достаточно количества вещества на уровне долей миллиграмма. У небольших молекул на основе вращательного спектра могут определяться межатомные расстояния и углы между связями. Из расщепления линий вращательного спектра в электрическом поле (расщепление Штарка) выводятся значения дипольных моментов. С учетом того, что исследовать можно только газы или испаряющиеся веще ства в сильно разбавленном виде, данный метод не нашел широкого применения в лабораторной аналитике. Помимо прочего, существует еще ограничение в от ношении слишком крупных молекул. Понятно поэтому, что в настоящее время пока нет коммерческих предложений СВЧспектрометров. Последние микровол новые спектрометры исчезли с рынка еще в 70е годы. Если исходить из собствен ного опыта, рассматриваемая техника находит применение главным образом в области исследования строения и свойств молекул размером от малых до сред них. При этом СВЧспектроскопия остается самым точным методом определе ния длины связей.

8.1. Теория вращательных спектров

217

8.1. Теория вращательных спектров Молекула может разными способами поглощать энергию движения. Число неза висимых координат, необходимых для однозначного определения молекулы, со ставляет 3N, причем N показывает число атомов в молекуле. Значит, данная мо лекула имеет и 3N степеней свободы, из которых три приходятся на перенос в три пространственные координаты. Остальные 3N – 3 степеней свободы распределя ются на вращение и колебание. Если перенос как неквантованное тепловое дви жение есть предмет изучения термодинамики и кинетической газовой теории, то вращение и колебание приводят к изменениям дискретного запаса энергии в мо лекуле. По классическому условию излучения, вращающаяся молекула может только поглощать энергию из электромагнитного поля излучения (процесс абсорбции) либо только отдавать ему свою энергию (процесс эмиссии), если в основном состоянии она имеет перманентный (стационарный) электрический дипольный момент, ко торый при переходе изменяется во времени. Поэтому такие симметричные моле кулы, как Н2, N2, CH4, CCl4 и т.д., у которых центр тяжести отрицательного заряда совпадает с положительным, не имеют дипольного момента, следовательно, не дают и вращательного спектра. Исключение здесь составляет лишь не обладающая ди полем парамагнитная молекула О2, магнитный момент которой может вступать во взаимодействие с магнитным вектором поля излучения. Число вращательных степеней свободы F молекулы зависит от ее геометри ческой структуры. Для линейных молекул в результате вращения вокруг обеих осей, расположенных перпендикулярно направлению связи, будет F = 2. Вращение вок руг оси связи – по причине малого в этом направлении инерционного момента – не возбуждается. Нелинейные молекулы имеют три вращательных степени сво боды вокруг трех основных инерциальных осей (F = 3). Геометрическая структура определяет также внешний вид вращательного спек тра. Линейные молекулы и симметричные центробежные молекулы (молекулы с осью симметрии третьего порядка или выше, например у CH3Cl) имеют враща тельный спектр из линий с почти постоянными частотными интервалами. А вот спектры асимметричных центробежных молекул столь простых закономерностей не обнаруживают. Рисунок 8.1 демонстрирует гантельную модель вращающейся, двухатомной, гетероядерной молекулы. Жесткий ротатор состоит из двух масс (атомов) + m1 и m2, находящихся одна от другой на фиксированном расстоянии r. Согласно законам классической механики, для вращательной энергии справедливо: Eвращ. = 1/2 ⋅ I ⋅ ω2, где I – момент инерции, ω – угловая скорость. Момент инерции I указан у двухатомных молекул через атомные массы m1 и m2 и межъядерное расстояние r: I =

m1 ⋅ m2 2 ⋅r . m1 + m2

218

Глава 8. Микроволновая спектроскопия

Центр тяжести

Рис. 8.1. Модель вращающейся, двухатомной, гетероядерной молекулы

Согласно квантовомеханическому расчету применительно к линейному жест кому ротатору, энергетические состояния должны быть квантованы, то есть враща тельная энергия может принимать только совершенно определенные значения. По уравнению Шредингера, для вращательной энергии возможны следующие «разрешенные» энергетические уровни: Е вращ. =

h2 8π 2 I

⋅ J (J + 1).

Здесь J есть вращательное квантовое число, которое может принимать значе ния 0, 1, 2, 3… Поглощение излучения происходит в результате того, что молекула переводится с одного вращательного уровня на другой вращательный уровень, с более высокой энергией. Касательно возбуждения вращательного уровня действует правило отбора из квантовой механики: ∆J = ±1, так что через поглощение излучения возможны только переходы между непос редственно соседствующими вращательными состояниями. Но так как разности энергий по сравнению с тепловым движением kT довольно малы, молекулы при комнатной температуре заселяют не только основное состояние, но и энергети чески более высокие (возбужденные) состояния. Это означает, что при комнат ной температуре, изза малой разности энергий, вращения молекул, в отличие от их колебаний, уже термически возбуждены. Таким образом, поглощение осуще ствляется не только начиная с J = 0, но и с вращательных уровней большей насе ленности. Для энергии возбуждения такого перехода имеет силу: ∆E = E J +1 − E J =

h2 4π 2 I

(J + 1).

Приняв ∆Е = hν, получаем отсюда частоты поглощения:

νR =

h ⋅ (J + 1) . 4π 2 I

8.1. Теория вращательных спектров

219

Пропускание, %

Волновое число, см–1

Рис. 8.2. Вращательный спектр газа HCl с эквидистантными линиями спектра по глощения

Итак, вращательный спектр в представлении волновых чисел состоит из эк видистантных линий, частоты поглощения которых различаются на постоянную величину h/4π2I. Повторяемость переходов и, следовательно, интенсивность от дельных линий вращательных спектров есть, наряду с величиной дипольного мо мента, функция температуры, при которой проводится исследование. По причи не термического возбуждения вращательного уровня максимум интенсивности наступает не в безвращательном основном состоянии, а в зависимости от темпе ратуры наблюдения – при более высоких вращательных состояниях. Рисунок 8.2 показывает вращательный спектр газа HCl при комнатной температуре. Так как вращательные уровни термически возбуждены, это означает, что раз ности заселенностей в пределах схемы вращательных энергетических уровней молекулы очень малы. Для заселенности энергетического уровня EJ по сравне нию с основным состоянием Е0 действительно распределение Больцмана: E

− J NJ = (2J + 1) ⋅ e kT . N0

В случае, например, HCl при комнатной температуре такое распределение приводит к максимально заселенному энергетическому уровню с J = 2. Но раз ности заселенностей есть мера интенсивности поглощения. Микроволновая спектроскопия дает, следовательно, лишь слабые сигналы, а наблюдаемые ко эффициенты поглощения соответственно малы. При более крупных молекулах могут возбуждаться уже и колебательные состояния, вследствие чего наблюда ются вращательные спектры из возбужденных колебательных состояний. С рас пределением заселенности по разным колебательным уровням отдельные вра щательные спектры в силу высокого разрешения располагаются рядом друг с дру гом. При этом весь спектр становится богаче линиями, но в результате распреде ления заселенности на многие колебательные состояния вновь будет показывать меньшую интенсивность. Это еще одна причина ограничения применения мик роволновой спектроскопии исследованием только не слишком больших молекул.

220

Глава 8. Микроволновая спектроскопия Энергия

Отношение заселенностей NJ/N0

Рис. 8.3. Заселенность вращательных уровней по статистике Больцмана

Рисунок 8.3 отображает заселенность вращательных уровней при комнатной тем пературе согласно статистике Больцмана. Точное измерение вращательного спектра показывает, что его линии не со всем эквидистантны, но по мере увеличения J все более сближаются. Это объяс няется тем, что при высоком возбуждении вращательного уровня центробежная сила уже заметно увеличивает межатомное расстояние r. В результате изменяется момент инерции, а с ним и Евращ. Рассматривать молекулу как жесткий ротатор допустимо только для низких значений J. Но центробежное искажение может быть учтено посредством дополнительных членов более высокой степени J. Для многоатомных молекул малой симметрии энергии при вращении вокруг трех пространственных осей, как правило, уже не эквидистантны. Здесь образу ется гораздо более сложный и насыщенный линиями спектр без какойлибо ви димой закономерности. С возрастанием симметрии молекулы линий в спектре становится меньше, что делает его более наглядным и ясным.

8.2. СВЧспектрометр Изучение вращательных спектров проводится на газах высокого разрежения при давлении от 0,1 до 10 Па. Межмолекулярные взаимодействия при этом уменьша ются настолько, что уже не оказывают скольконибудь значимого влияния на линейчатую структуру спектра. Поскольку интенсивность линий с понижением температуры возрастает, то работу лучше вести при комнатной температуре либо соответствующим образом охлаждать пробу. И наоборот, поглощающую ячейку нагревают с целью получения спектров соединений, имеющих очень низкое дав ление пара. Существует соответствующее оборудование для регистрации враща тельных спектров при температуре до 1000°С. С его помощью могут быть спект роскопированы практически все органические соединения, способные испаряться без разложения. В оптической области поглощают только совсем небольшие молекулы, состо ящие из небольшого числа легких атомов, например HCl и HF. Более крупные

8.3. Практическое применение микроволновой спектроскопии

221

молекулы в силу их большего момента инерции поглощают в спектральной обла сти микроволн. Для генерации излучения служит СВЧизлучатель, чаще всего отражательный клистрон, дающий строго монохроматическое излучение. В свя зи с этим отпадает необходимость в монохроматоре. С помощью релаксационно го генератора можно в определенном диапазоне варьировать частоту передатчи ка. В качестве современных источников излучения предлагаются полупроводни ковые генераторы. Излученная передатчиком волна бежит в металлическом полупроводнике пря моугольного сечения («волноводе») длиной до 10 метров, который одновременно выполняет функцию поглощающей ячейки. Там находится подлежащий исследо ванию сильно разреженный газ. Вакуумплотные полупроводники соединены с насосом и загрузочной системой. Роль приемников излучения играют кристаллические детекторы из кремния либо германия с электронными системами усиления. Измерение частоты осуще ствляется принятым в радиотехнике способом – путем сравнения со стандартны ми частотами кварцевых генераторов. Поскольку излучение в полупроводниках в значительно большей степени ослабляется изза потерь в стенках, чем в результа те молекулярного поглощения, то принимаемые детектором сигналы весьма сла бы. Для усиления этих маломощных сигналов разработаны самые разные спосо бы, среди них – метод двойного резонанса. Техника на основе преобразования Фурье тоже находит применение в микро волновой спектроскопии (СВЧФурьеспектроскрпия). При этом короткий мо нохроматический микроволновой импульс подается в поглощающую ячейку. Вра щения, возбужденные при данной частоте, в результате термической релаксации очень быстро затухают после отключения импульса. Сигнал затухания записыва ется во времени и с помощью Фурьепреобразования преобразуется в спектр. Тогда получают участок спектра, центрированный относительно частоты возбужденного микроволнового импульса.

8.3. Практическое применение микроволновой спектроскопии Поглощение происходит в результате вращения всей молекулы вокруг разных инерциальных осей. Поэтому каждая отдельная линия вращательного спектра является характеристической для исследуемого соединения, так что для иденти фикации последнего достаточно точного указания частоты такой линии. Но, с другой стороны, это не позволяет устанавливать определенные группировки ато мов или структурные элементы, как это возможно посредством УФ или ИКспек троскопии. Качественный анализ основан на сравнении вращательного спектра неизвес тного вещества со спектрами хорошо изученных веществ. При идентичности двух спектров, например двух линий поглощения, относящиеся к ним соединения тоже идентичны. Поскольку при низком давлении газа молекулы не оказывают друг на друга взаимного влияния, можно анализировать газовые смеси, состоящие из

222

Глава 8. Микроволновая спектроскопия

множества компонентов. Но обязательным условием здесь является, конечно, знание спектров чистых веществ. Вследствие большой разрешающей способности СВЧспектрометра удается раз делять и чрезвычайно точно измерять даже линии, достаточно плотно прижатые друг к другу. Во вращательном спектре хлористого метилена наблюдаются, например, две разные линии поглощения, исходящие от молекулярных изотопов 35Cl и 37Cl. Это позволяет проводить определение изотопного состава молекул одного сорта.

8.3.1. Определение межатомных расстояний и валентных углов Волновые числа линий спектра поглощения зависят от момента инерции I моле кулы, а он, в свою очередь, от массы и геометрического расположения атомов. Вращательные спектры позволяют благодаря этому с высшей степенью достовер ности определять, основываясь на моментах вращения, межатомные расстояния и валентные углы в молекуле. Надежность определения I ограничена не способом измерения, а точностью знания постоянной Планка h! А вот число исследуемых таким образом соединений имеет свои ограничения. При линейных многоатомных молекулах отнесение – с учетом множества межа томных расстояний – уже не будет однозначным. Тогда исследуют сначала моле кулы, ядра которых были замещены изотопными ядрами. Дело в том, что при этом изменяется момент инерции, в то время как равновесные расстояния остаются постоянными. Наряду с требованием перманентного дипольного момента, следует учиты вать еще и то обстоятельство, что в случае более крупных молекул моменты инер ции при возможности свободного вращения отдельных сегментов вокруг одиноч ных связей зависят от имеющей место конформации. При многоатомных моле кулах любое вращение можно разложить на вращения вокруг трех расположен ных перпендикулярно друг к другу основных осей с тремя моментами инерции. Любое из этих вращений имеет тогда собственную схему энергетических уровней с относящимся сюда основным моментом инерции. Из каждой диаграммы энер гетических уровней можно, пользуясь изотопным методом, вывести межъядер ные расстояния. Впрочем, такая методика не носит универсального характера. При слишком большом числе атомов в молекуле и, значит, чрезмерном количестве разных межа томных расстояний последние вряд ли удастся определить по трем основным инер циальным осям. Еще одно ограничение состоит в том, что данная спектроскопия рассчитана на газовую фазу, что отнюдь не всегда возможно. Известно, что молеку лы сильной полярности обладают интенсивным вращательным спектром. Но и не которые высокосимметричные молекулы без перманентного дипольного момента способны в результате центробежного искажения при вращении получать диполь ный момент, с которым наблюдается слабый вращательный спектр.

8.3.2. Определение дипольных моментов Если исследуемое вещество поместить в сильное электрическое поле, а изолиро ванный электрод ввести в поглощающую камеру и зарядить относительно ее сте

8.3. Практическое применение микроволновой спектроскопии

223

нок, то вращающиеся диполи устанавливаются только в абсолютно определен ных направлениях к внешнему электрическому полю. Это пространственное кван тование известно как «эффект Штарка», приводящий к расщеплению отдельных линий вращательного спектра на (2J +1) штарковских составляющих. Размер та кого расщепления измеряется как разность между частотами с полем и без поля. Она зависит от силы приложенного поля Е и величины перманентного диполь ного момента µ молекулы. Таким образом, зная Е, можно на основе имеющегося сдвига вычислить дипольный момент с точностью до ±1%.

8.3.3. Ядерноквадрупольное сопряжение Определенные молекулы имеют сверхтонкую структуру линий вращательного спектра, объясняющуюся квадрупольным сопряжением ядер. Эти спектры опре деляются моментом количества движения ядра атома; происходит сопряжение момента количества движения ядра с моментом количества движения молекулы. На основе такой сверхтонкой структуры делается вывод о внутримолекулярном распределении электронов, то есть принимается во внимание степень гибридиза ции, характер ионной и двойной связей. Ядра атомов, подобно электронам, имеют определенные спиновые квантовые числа, связанные со спинами ядер. Ядерноспиновое квантовое число i описывает пространственную симметрию положительного заряда ядра, который для i = 0 или i = 1/2 может быть представлен как сферически симметричный, для i > 1/2 – как более или менее сжатый эллипсоид вращения. Такое асимметричное распределе ние положительного заряда ядра обеспечивает квадрупольный момент eQ с харак теристической для соответствующего вида ядер величиной. Как и молекулярные диполи, ядерные квадруполи могут устанавливаться только в совершенно опреде ленных направлениях к внешнему неоднородному электрическому полю. Это про странственное квантование ядерного спина относительно оси вращения молекулы приводит к расщеплению вращательных энергий и обусловливает сверхтонкую структуру. Величина расщепления зависит от взаимодействия между eQ и градиентом поля q, описывающим асимметрию распределения электрического заряда. Внешнее электрическое поле создается электронами атома. Для атомов с заполненными электронными оболочками и только sэлектро нами в валентной оболочке будет q = 0, так как они создают сферически симмет ричное распределение заряда. В таких случаях ориентация квадруполя отпадает, и сверхтонкая структура не образуется. Неоднородное поле возникает преимуще ственно в результате не полностью заселенной pорбитали и в гораздо меньшей степени – вследствие незаполненных d и fуровней. Произведение eQq, показывающее взаимодействие между квадрупольным моментом и градиентом поля, называют константой ядерноквадрупольного со пряжения, определяемой по сверхтонкой структуре линий вращательного спект ра. Величина этой константы показывает распределение электронов атома в со стоянии связи. Если, например, атом Cl имеет ионную связь, он обладает запол ненной конфигурацией инертного газа. Значит, q = 0, следовательно, и eQq = 0.

224

Глава 8. Микроволновая спектроскопия

Напротив, атомарный хлор имеет очень большую константу ядерноквадруполь ного сопряжения, поскольку место 3рорбитали не заселено. В зависимости от электроотрицательности «партнера» по связи, хлор более гетерополярен либо бо лее гомеополярен, что и отражается в изменении указанной выше константы. Наряду с этими полярностями связи, на константу ядерноквадрупольного сопряжения могут воздействовать и изменения степени гибридизации. Исхода из константы, могут быть также сделаны заключения касательно двойного характе ра формально одиночных связей. Однако определение ее ограничено такими яд рами, которые имеют квадрупольный момент, а в своей валентной оболочке – не только sэлектроны. Среди органических соединений это преимущественно азот, галогены (кроме фтора), бор и изотоп 17О.

8.4. Резюме и перспективы развития микроволновой спектроскопии Микроволновая спектроскопия использует свойство молекул с перманентным диполем путем возбуждения вращательного уровня поглощать специфичную длину волны. Вращательная абсорбция есть свойство всей молекулы. Поэтому опреде ленные атомные группировки не могут быть эмпирически идентифицированы на основе вращательного спектра, как это имеет место при ИКспектроскопии и методах комбинационного рассеяния. Но линии вращательного спектра можно определить чрезвычайно точно: благодаря малой полуширине их перекрытия у разных веществ практически исключаются. Поэтому часто бывает достаточно определения однойединственной линии для характеристики и идентификации соединения. Также и маложивущие молекулы можно количественно идентифи цировать в смесях, что позволяет, например, следить за ходом реакций. Преимущества СВЧспектроскопии заключаются в высокой селективности и коротком времени измерения, чем обеспечивается непрерывный режим работы. Этот метод удобен для проведения анализа высокополярных, агрессивных и хи мически активных веществ. Кроме того, вращательный спектр находит примене ние в изотопном анализе, ибо разные изотопы в молекуле обусловливают момент инерции, изменение которого отчетливо проявляется в спектре. Моменты инер ции столь чувствительны к изменениям массы, а разрешение спектров столь ве лико, что спектры изотопов могут быть такими же разными, как и спектры раз ных молекул. На основе в высшей степени монохроматического выходного излучения и за мечательной точности измерения частоты СВЧспектроскопия представляет со бой прецизионный метод, которому уступают все прочие спектроскопические техники. Длины связи могут определяться с точностью до 1/100 ангстрем, а углы между связями – до 1/10 градуса. Однако они не полностью совпадают с равно весными расстояниями, соответствующими самой нижней точке эквипотенци альной кривой. Ведь в случае моментов инерции, полученных из вращательных спектров, речь идет о средних значениях, поскольку атомы в результате нулевого колебания находятся в постоянном движении. По причине так называемой ан

8.4. Резюме и перспективы развития микроволновой спектроскопии

225

гармоничности атомных колебаний среднее межатомное расстояние несколько больше равновесного интервала, что, однако, может быть учтено с помощью под ходящей коррекции. Для коммерческого применения предлагаются лишь немногие исполнения микроволновых спектрометров. В 1990 г. фирмой Сименс в сотрудничестве с Цен тром ядерных исследований в Карлсруэ был разработан предназначенный для анализа газов в режиме реального времени СВЧспектрометр под названием «Ми пан» (Mipan). Но активное использование микроволновой техники ограничено преимущественно специальными рабочими группами научноисследовательских институтов. Тем не менее разного рода дополнительные варианты – вроде прове дения анализов технологических газов в производстве полупроводников – позво ляют надеяться на расширение областей применения микроволновой спектро скопии, например на уровне датчиков при газовом контроле. Помимо прочего, измерительная микроволновая техника представляется идеальным дополнением к хроматографии процесса, где селективность метода приобретается в связи с пе риодическим режимом работы и длительным периодом измерения.

ÃËÀÂÀ 9 ÀÒÎÌÍÎ-ÀÁÑÎÐÁÖÈÎÍÍÀß ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏÈß Атомноабсорбционный спектральный анализ, наряду с атомноэмиссионной спектрометрией, относится к наиболее важным и эффективным методам иссле дования неорганических соединений, особенно при определении следовых коли честв веществ. Хотя принципы атомной спектрометрии известны еще с середины ХIХ столетия, техническая оптимизация и разработка упрощенных приемов ме тода долго не находили своего развития. С начала коммерческого внедрения в 50е годы атомноабсорбционная спектрометрия стала широко использоваться в мно гочисленных химических лабораториях как метод элементного определения на уровне следов. Она в полной мере отвечала требованиям к надежности и быстро те анализа с высокой чувствительностью обнаружения. Благодаря простоте про ведения и хорошей селективности атомноабсорбционная спектроскопия стала прекрасной альтернативой классическим методам исследования состава метал лов, сплавов, различных концентратов и т.д. Накопленный опыт работы с такой техникой и многочисленная литература по ее использованию стали прочной ба зой для дальнейшего развития и совершенствования атомноабсорбционной спек троскопии как одного из самых надежных методов в сфере следовой и ультрасле довой аналитики. Точное определение элементов в следовом диапазоне приобретает особое зна чение в ситуациях со сложными матрицами. Это касается самых разных областей применения – от создания новых материалов до решения насущных проблем в сфере биологии и медицины. Если для проверки чистоты вещества интерес пред ставляет тот факт, что при содержании примесных атомов 10–12 г/г еще можно обнаружить измеряемые зависимости свойств веществ, то в случае биологичес ких матриц в микроследовом анализе целью является, например, определение со держания элементов в отдельных клетках. Успешно применяются атомноабсорбционные методики в клинических и биологических анализах, а также для определения магния, железа, цинка, меди и некоторых других элементов в почвах, удобрениях и прочих агрохимических ма териалах. Помимо чисто аналитического применения, атомноабсорбционная спектроскопия используется также для определения коэффициентов диффузии, давления насыщенных паров и т.д. Атомноабсорбционный спектрометр в своем простейшем исполнении состо ит из источника излучения, устройства атомизации пробы (атомизатора), оптичес кой системы, фотодетектора и электронного блока с индикацией сигнала. Как и в случае молекулярной спектроскопии, при атомной абсорбции наблюдают элект ронные переходы в спектральной области видимого и УФсвета. Но, в отличие от молекул, у атомов электронные переходы есть единственная возможность взаимо

Атомноабсорбционная спектроскопия

227

действия со светом, так что атомные спектры состоят только из отдельных линий. При использовании элементноспецифичных источников излучения (ламп с полым катодом) со спектрами поглощения, содержащими минимальное количество линий, достигается спектральное разрешение и, следовательно, селективность метода. Для отделения непоглощаемого света здесь достаточно обычного монохрома тора простой конструкции. Классическим средством атомизации является пла мя, в котором распыляется раствор пробы. Другие приемы достижения атомиза ции возможны в печи с графитовой трубкой и в кварцевой кювете для метода на основе гидридов и холодного пара. Спектрометры предлагаются в виде одно и двухлучевых приборов. Основные принципы конструктивного исполнения атом ноабсорбционных спектрометров не претерпевают серьезных изменений, разве что повышается уровень их технических возможностей1. С появлением графитовой трубчатой печи в конце 60х годов удалось на два три порядка понизить пределы обнаружения, достигаемые на основе пламенной техники. Так впервые стала доступна область миллиардных долей для стандартных лабораторных измерений ряда металлов. Применение электротермических атоми заторов значительно расширило возможности атомноабсорбционной спектроско пии и привело к улучшению химикоаналитических характеристик метода. Атом ноабсорбционная спектроскопия по способу графитовой трубчатой печи облада ет несомненно более высокой обнаружительной способностью, но и связана с оп ределенными проблемами, которые, впрочем, на данном этапе успешно решаются. Заметный прогресс в этой области был отмечен после создания специальных по крытий для графитовых трубок на основе пиролитического углерода. Дальнейшее совершенствование с применением все более стойких материалов позволяет наде яться на создание в будущем максимально благоприятных условий атомизации. Между тем оказалось, что резкое повышение чувствительности вызывает слож ности особого рода, связанные, например, с неселективным фоном и химически ми помехами. Это заставило задуматься о разработке эффективных способов кор рекции фона (атомноабсорбционная спектрометрия Зеемана и принцип Смита – Хифти) и приступить к улучшению рабочих приемов, например при контроле тем пературы, а также к созданию альтернативных способов подвода газа в графитовые трубки и использованию так называемой матричной модификации. Приобретающий все большую популярность аналитический контроль произ водственных процессов и объектов окружающей среды выдвигает постоянно рас тущие требования к воспроизводимости и точности анализов. Привлечение ком пьютерной техники и современной электроники позволило произвести необхо димые технические усовершенствования и существенно упростить рабочие схе мы. С поддержкой ЭВМ протекает автоматическая загрузка проб, осуществляется выполнение индивидуальных программ проведения анализа, обработка и вывод полученных данных. В области исследования объектов окружающей среды на предмет выявления токсичных металлов вроде ртути, мышьяка, сурьмы и селена предлагаются в ка 1

С 2004 г. выпускаются приборы совершенно новой конструкции: атомноабсорбцион ные приборы высокого разрешения с непрерывным источником спектра. – Прим. ред.

228

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

честве специальной принадлежности системы на основе холодного пара и гид ридных соединений. В результате перевода в газообразную фазу элементы отде ляются от матрицы и могут с высокой чувствительностью измеряться почти без разрушения образца. Более того, такого рода модификации позволяют прямое оп ределение, практически без загрязнений, по крайней мере, в случае летучих ме таллов, таких как: Cd, Pb, Hg и As. Подобные системы тоже могут быть автомати зированы с целью ускорения процесса прохождения проб. При совмещении хроматографических методов с атомноабсорбционной спек трометрией получают детектор, приспособленный именно к элементной анали тике. Такое сочетание уже достаточно давно используется в газовой хроматогра фии и все чаще берется на вооружение также в жидкостной хроматографии. Это дает возможность определять состояние связи отдельных элементов. Данная спе цифичность приобретает особое значение в сферах экологии и биологии. Атомноабсорбционная спектрометрия всегда конкурирует с другими метода ми анализа столь же высокой обнаружительной способности, среди которых: ин версионная импульсная и адсорбционная вольтамперометрия, атомноэмиссион ная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, рентгеновская флуоресцен ция с полным внешним отражением и плазменная массспектрометрия. В после дние годы атомноабсорбционная спектроскопия делает замечательные успехи в области олиго и мультиэлементного определения, в деле использования проточ ной инжекции и при прямых аналитических исследованиях твердых веществ. В своем классическом варианте атомноабсорбционная спектроскопия пред ставляет собой моноэлементный метод. Определение нескольких (до 10) элемен тов может проводиться с помощью удобных в обращении приборов, действующих по принципу автоматического переключения ламп. При этом отдельные элементы измеряются последовательно, для чего требуется, соответственно, больший объем проб. Одновременное определение сразу множества элементов достигается за счет того, что свет из нескольких ламп с полым катодом с помощью световодов и линзо вой системы в фокусированном виде одновременно направляется через пламя и затем через полихроматор. Достоинством такой конструкции является возможность одновременного детектирования всех аналитических сигналов, для чего полихро матор оснащен соответствующими выходными щелями, а также фотоумножителя ми, рассчитанными на определенную длину волны. Потребность в быстрых, простых и дешевых методах анализах может быть удов летворена с помощью прямых, в достаточной мере автоматизированных, инстру ментальных способов, не требующих трудоемкой пробоподготовки, при которых подлежащая аналитическому исследованию проба без всякой «мокрой химии» воз буждается для подачи аналитических сигналов. Комбинированные «мокрые» хи мические способы с обязательным приведением пробы в растворимую форму, раз делением и концентрированием являются не только дорогостоящими, но отни мают много времени и к тому же не всегда надежны изза систематических по грешностей. Сегодня, благодаря сочетанию с методом проточной инжекции, возможна подготовка проб в режиме реального времени, протекающая с высокой помехоустойчивостью в закрытой системе, что существенно снижает опасность загрязнения.

9.1. Историческая справка

229

Совмещение проточной инжекции и атомноабсорбционных методов откры вает много новых областей применения. Эта методика считается одной из важ нейших инновационных разработок, серьезно обогативших атомную спектромет рию. Проточная инжекция удобна для процессов приготовления и загрузки проб. Простота обслуживания, высокая пропускная способность при минимальном объеме реагентов и самих проб – вот лишь некоторые преимущества этого мето да. Возможность определения образцов с высоким содержанием солей, автома тические процессы разбавления проб, подачи буферных растворов и реагентов обеспечивают получение надежных результатов анализов. С помощью проточной инжекции возможна даже автоматизация атомноабсорбционной спектроскопии на основе холодного пара и гидридных соединений. Приобретает все большее значение анализ твердых веществ. Эти вещества прямо в виде порошка либо в форме суспензий или взвесей водятся в графитовую трубку. Для металлических материалов имеется специальная камера с устройством ионнолучевого распыления. Подлежащий анализу материал в результате ион ной бомбардировки испаряется в камере. Распыленный материал анализируется в паровом отсеке вполне традиционными методами. Таким способом можно, в частности, быстро и точно определять состав сталей и сплавов.

9.1. Историческая справка Задолго до того, как открыли строение атомов, уже было известно, что испускае мое возбужденными атомами излучение есть специфичное свойство этих атомов. Феномен поглощения света занимал ученых еще в начале XVIII века, причем глав ный интерес вызывали сначала кристаллы и жидкости. Окрашивание пламени солями щелочных металлов использовал в 1758 г. Маргграф для различения солей натрия (желтое пламя) и калия (красное пламя), даже не подозревая о причине (атомная эмиссия!) данного явления. Позднее проводились систематические на блюдения за солнечным светом, приведшие Уоллстоуна в 1802 г. к открытию чер ных линий в солнечном спектре, которые в последующие годы подробно изучил Фраунгофер. Уже в 1820 г. британский физик Брюстер высказал мнение, что так называемые линии Фраунгофера вызываются процессами поглощения в солнеч ной атмосфере, описав тем самым собственно атомную эмиссию. Фундаментальные зависимости между атомной абсорбцией и атомной эмисси ей определили физик Кирхгофф и химик Бунзен в 1860 г. Это был результат их сис тематических исследований обращения линий в спектрах щелочей и щелочных зе мель. Оба однозначно указывали на то, что типичная желтая линия, испускаемая солями натрия в пламени горелки Бунзена, идентична черной Dлинии солнечного спектра. Кирхгофф сформулировал затем общий закон, согласно которому любая материя поглощает свет именно на той длине волны, на которой она его и излучает. Большинство сведений о строении атомов получено на основе эксперимен тов с атомной спектроскопией. Хотя принцип атомной абсорбции уже давно из вестен и подробно описан, он почти целое столетие оставался невостребованным химической аналитикой. И только в 1955 г. атомноабсорбционная спектромет рия была заново открыта Уолшем с коллегами [9.1] и предложена в качестве уни

230

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

версального метода анализа [9.2]. Эта группа ученых из Австралийского центра научных и промышленных исследований (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, CSIRO) всесторонне разработала теоретические основы атомноабсорбционной спектроскопии и принципы ее практического примене ния, включая описание требуемого аппаратурного оформления метода и приемов работы с пламенем смеси воздуха/ацетилена. Профессор Б.В. Львов из Ленинграда первый начал заниматься беспламен ной атомноабсорбционной спектроскопией. Уже в 1958 г. он опубликовал свою работу касательно экспериментов с нагретыми печами. Но, несмотря на получен ные новые знания, эта методика получила свое практическое воплощение лишь спустя 10 лет.

9.2. Общая характеристика метода В основе данного метода лежит общеизвестное наблюдение, что пламя в присут ствии паров металла так или иначе окрашивается (например, от NaCl оно стано вится желтым). Если этот свет разложить с помощью монохроматора, то соответ ствующий элемент в пламени обнаружит себя появлением характеристических светлых линий в спектре (качественный эмиссионный спектральный анализ, или пламенная фотометрия). Совокупность длин волн, исходящих от источника излучения, есть эмисси онный спектр источника, причем целесообразно различают равномерный, непре рывный спектр излучения пламени «холостого» горения (пламенный фон) и ли нейчатый спектр излучения атомов металла в пламени. Причину появления спек тральной линии составляет то свойство атомов, что их внешние (валентные) элек троны забирают (поглощают) определенное количество энергии из пламени и могут переходить при этом в разные, энергетически более высокие состояния. Атомы способны поглощать и вновь отдавать только совершенно определен ные количества энергия. Если у молекул возможны изменения электронных, ко лебательных и вращательных состояний, то у атомов имеет место исключительно взаимодействие с электронами. В результате поглощения энергии атом может перейти в электронновозбужденное состояние. При возврате на уровни с мень шей энергией атом затем вновь отдает поглощенную энергию обычно в виде из лучения. При термическом возбуждении атом испускает эту поглощенную энер гию в форме своего эмиссионного спектра. Если возбуждение происходит под действием световой энергии, атомы по глощают только точно определенные количества энергии, то есть принимают свет определенной частоты, и тогда наблюдается абсорбционный спектр. Поскольку здесь возможны исключительно электронные переходы между дискретными ор биталями, то и атомные спектры состоят из дискретных линий. Итак, атомные спектры есть линейчатые спектры. Наблюдение атомной абсорбции возможно при условии, что в поглощающей ячейке присутствуют атомы: значит, исследуемая проба, например соль металла,

9.2. Общая характеристика метода

231

должна быть переведена в атомарное состояние. Это достигается путем подвода тепловой энергии. При температуре примерно выше 2000°С почти все известные химические соединения находятся в атомарной форме, то есть, за некоторым ис ключением, уже нет никаких молекул и ионов. NaCl, который при комнатной температуре имеет ионное строение как в жидкой, так и в газообразной форме, при указанных высоких температурах состоит из атомов натрия и хлора. Для наблюдения атомной абсорбции исследуемая проба должна находиться в по глощающей ячейке в атомарной форме. При дальнейшем повышении температуры атомы поглощают тепловую энергию и переходят при этом в возбужденные состояния, пока наконец не будут ионизиро ваны с образованием плазмы. Возбужденные атомы термически вобрали в себя энер гию и уже не могут поглощать соответствующий свет; оптической атомной абсорб ции более не наблюдается. Таким образом, в отношении температуры приходится идти на определенный компромисс, учитывая следующее: температура должна вы бираться с расчетом на достижение быстрой и полной атомизации, но, с другой сто роны, она не может быть слишком высокой во избежание возбужденных состояний или ионизации, ибо такие атомы уже более не способны к поглощению света1. Высокие температуры для атомизации материи могут быть достигнуты, кроме прочего, с помощью подходящего пламени. В пламени атомы в подавляющем боль шинстве присутствуют обычно как нейтральные частицы в их основном состоя нии Е1 (низший энергетический уровень). Когда в это пламя направляют свет подходящей частоты, поглощение даже минимального количества энергии при водит к первому возбужденному состоянию – уровню Е2, именуемому также ре зонансным уровнем. Статистическая вероятность заселенности этого уровня (Е2) при возбуждении атомов у разных элементов является почти всегда наибольшей. ∆Е = Е2 – Е1 есть поглощенная резонансная энергия. Более значительные погло щения энергии приводят к уровням Е3, Е4, Е5 и т.д. Спустя короткое время пребыва ния в метастабильных состояниях возбуждения (около 10–8 с) возбужденный атом возвращается на более низкий или, соответственно, основной уровень, отдавая при этом высвобождающуюся энергию в виде специфичного для конкретного элемен та излучения, то есть со специфичной для данного элемента длиной волны. Итак, пламя образует собственную поглощающую ячейку с находящимися там атомами. Высокая температура пламени служит для атомизации материи. Термическое возбуждение атомов осуществляется, согласно распределению Боль цмана, тем легче, чем меньше разность энергий между основным и возбужденным состояниями. Следовательно, для заданной температуры с увеличением длины вол ны поглощения соответствующего элемента возрастает и число термически воз бужденных атомов. Это касается, в частности, щелочных и щелочноземельных ме таллов, разности энергий которых между отдельными электронными орбиталями 1

Возможно дальнейшее оптическое возбуждение уже возбужденных атомов и их иониза ция с использованием оптических квантовых генераторов. – Прим. ред.

232

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Òàáëèöà 9.1. Ðàçëè÷èå ìåæäó àòîìíîé àáñîðáöèåé è àòîìíîé ýìèññèåé Àòîìíàÿ àáñîðáöèÿ

Àòîìíàÿ ýìèññèÿ

Òåðìè÷åñêîå âîçáóæäåíèå ìàòåðèè äî àòîìèçàöèè â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè è èçìåðåíèå ïîãëîùåíèÿ ñâåòà ïîñðåäñòâîì ïîäõîäÿùåãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ

Áîëåå âûñîêîå òåðìè÷åñêîå âîçáóæäåíèå ìàòåðèè äî âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé àòîìîâ è èçìåðåíèå èçëó÷åíèÿ ñâåòà âîçáóæäåííûõ àòîìîâ

незначительны и соответствуют длинам волн в видимой области спектра. Уже при относительно низких температурах они термически возбуждаются и начинают ис пускать свет (окрашивание пламени, нередко используемое в пиротехнике). Но со отношение возбужденных атомов и атомов в основном состоянии весьма невелико, и при проведении аналитических исследований им можно пренебречь. Из всего вышесказанного ясно, что тепловая энергия (пламя) способна воз буждать свободные, находящиеся в основном состоянии атомы, то есть вызывать, например, переход от Е1 к Е2 в результате поглощения энергии атомами. Последу ющее излучение энергии (от Е2 к Е1) приводит к испусканию световой энергии очень специфичных длин волн. Вытекающее отсюда взаимодействие между по глощением и излучением можно опятьтаки использовать в целях количествен ного и качественного анализов, посылая в светопроницаемом, невозбужденном пару атома излучение с длиной волны, специфичной для интересующего элемен та. Возникающее затем ослабление излучения на используемом фоновом излуча теле при прохождении через этот атомарный пар вследствие поглощения энергии является тогда качественным свидетельством наличия соответствующего элемента в данной «поглощающей ячейке». Степень ослабления излучения фонового излу чателя относительно неослабленного излучения при прохождении через еще пус тую поглощающую ячейку дает количественный результат применительно к ин тересующему элементу (дифференциальное измерение). Соответственно, сово купность длин волн, поглощенных светопроницаемым телом из фонового излу чателя, есть абсорбционный спектр этого тела. Каждый элемент в невозбужденном основном состоянии поглощает только ту длину волны, которую он сам излучает в возбужденном состоянии. Поэтому речь идет о двух методах – атомной абсорбции и атомной эмиссии (см. табл. 9.1). В идеальном варианте при атомной абсорбции температура поглощающей ячей ки должна быть как раз такой, чтобы проба была атомизирована, и присутствова ли только атомы в основном состоянии. При атомной эмиссии, напротив, темпе ратура должна быть гораздо выше, чтобы получить как можно больше возбужден ных атомов и, значит, достаточно интенсивный спектр излучения определяемых элементов.

9.3. Линейчатый спектр Если бы атом имел только одно возбужденное состояние, то получилась бы лишь однаединственная линия спектра поглощения. Фактически же наблюдается мно жество спектральных линий, расстояния между которыми по мере укорочения длин волн становятся все меньше и интенсивность которых понижается, пока наконец не достигается некая предельная точка, начиная с которой уже не видно

9.3. Линейчатый спектр

Dлинии

233

Сплошная среда ионизации

Длина волны, нм

Рис. 9.1. Спектр поглощения натрия

ни одной линии, – наступает непрерывное поглощение: это граница спектраль ной серии, или сплошная среда ионизации (рис. 9.1). Число всех электронных переходов и, следовательно, число спектральных линий для того или иного элемента определяется расположением внешних элек тронов в атоме. Атомы с малым числом внешних электронов, как, например, у щелочных металлов, обладают спектрами с минимальным количеством линий; атомы со сложной структурой внешней оболочки, особенно элементы побочных групп, дают спектры со множеством линий. Спектры атомов и ионов с одинако вым числом электронов, то есть, например, Na, Mg+1 и Al+2, имеют при этом ана логичное строение, но положение соответствующих друг другу линий не является идентичным (закон смещения Косселя). С целью возбуждения резонансных линий к щелочным металлам надо подво дить особенно низкую, а к металлоидам – очень высокую энергию. При этом резо нансная линия закономерно сдвигается из видимой области спектра в тяжелодос тупную при экспериментах область вакуумного ультрафиолета. В принципе любой элемент можно определять на основе атомной абсорбции, ибо атомы всех элемен тов возбуждаемы и тем самым способны к поглощению. Ограничения здесь могут возникнуть лишь в силу аппаратурных причин. Основную область применения атом ноабсорбционной спектрометрии составляют поэтому определения металлов и полуметаллов. Это ограничение метода атомной абсорбции связано, следовательно, исключительно со спектральной областью, а не с исполнением подходящего для тех или иных элементов линейчатого излучателя, как можно было бы предположить. Итак, определяемые с помощью атомной абсорбции элементы устанавливаются через спектральную область, в которой они поглощают свет. Линии спектра поглоще ния металлов находятся в области от видимой до ультрафиолетовой, в то время как металлоиды поглощают в основном в труднодоступном вакуумном ультрафиолете. Атомноабсорбционная спектрометрия используется, таким образом, в целях обнаружения и количественного определения элементов преимущественно ме таллического ряда. Для качественного анализа элемента достаточно обнаруже ния однойединственной линии, и совсем не требуется регистрировать весь ли нейчатый спектр. Каждая отдельная линия в принципе элементноспецифична, то есть способна характеризовать какойто конкретный элемент, хотя здесь не исключены совпадения с линиями других элементов. При количественном оп

234

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

ределении измеряется поглощение у одной линии. И здесь тоже действует закон Ламберта – Бера, то есть понижение интенсивности источника излучения непос редственно связано с числом поглощающих атомов N. E = lg

I0 = k ⋅ N. I

В области справедливости закона Ламберта – Бера требуется определить лишь некую нулевую точку путем измерения так называемого «холостого» раствора. Для получения высоких величин поглощения линия эмиссионного спектра должна быть очень узкой по сравнению с линией абсорбционного спектра. В этом случае k соответствует максимальному коэффициенту поглощения в центре линий.

9.3.1. Правила отбора Атомный спектр по большому счету определяется всей системой валентных элект ронов, представленной набором квантовых чисел, среди которых: главное кванто вое число n, орбитальное, или побочное, квантовое число L, спиновое квантовое число S, или просто спин, и внутреннее квантовое число J. При этом внутреннее квантовое число формируется из внутриатомной связи спинового и орбитального моментов. Благодаря этой связи (известной как схема слабой связи Рассела – Са ундерса) спиновой и орбитальный моменты при сложении векторов (J = L + S) могут находиться относительно друг друга либо параллельно, либо антипараллель но. Это приводит к дальнейшему расщеплению энергетических уровней. У всех атомов с нечетным числом электронов магнитные моменты внутри атомной связи не могут компенсироваться полностью, остается еще, как мини мум, один спиновой момент. Так, у атома натрия спиновой и орбитальный мо менты внутренних электронных оболочек компенсируются до нуля. Внешний электрон может ориентировать свой спиновой момент относительно орбиталь ного момента двояким образом – параллельно или антипараллельно. Тогда про исходит расщепление на два энергетических уровня, именуемых дублетом.

Рис. 9.2. Расщепление Dлиний натрия

9.3. Линейчатый спектр

235

В основном состоянии внешний электрон находится на sорбитали, орбиталь ный момент которой равен нулю и поэтому не расщеплен. В первом возбужден ном состоянии неспаренный электрон находится на рорбитали при орбиталь ном квантовом числе, равном 1. В результате связи со спиновым квантовым чис лом S = 1/2 внутреннее квантовое число может суммироваться с J = 1/2 или J = 3/2. Переходы из основного состояния в это состояние возбуждения приводят поэто му к двум тесно прижатым друг к другу линиям, которые в случае «Dлинии на трия» располагаются при 589,0 и 589,6 нм, как видно на рис. 9.2. В отношении переходов электронов при поглощении света действуют следу ющие правила отбора: ∆L = ±1 ∆J = ±1 ∆J = 0 (за исключением J = 0 → J = 0).

9.3.2. Отбор линий Все линии, выходящие из основного терма атома, называются резонансными и в соответствии с вероятностью их переходов различаются интенсивностью погло щения. Для атомов простейшего строения, какие бывают у щелочных и щелочно земельных металлов, самая интенсивная и легче всего возбуждаемая линия соот ветствует переходу из основного состояния в первое возбужденное состояние. При этом переходе требуется совсем небольшая энергия и, следовательно, минималь ная частота возбуждающего света. Для целого ряда иных элементов часто более интенсивны другие линии, соответствующие переходам из основного состояния в более высокие состояния возбуждения. Для достижения требуемой способности к обнаружению в большинстве случа ев используют атомную линию максимальной интенсивности. Но, во избежание помех, нередко считают за благо воспользоваться другой линией. Положения от дельных атомных линий и принципы отбора наиболее подходящих из них для ко личественной оценки уже многократно и подробно описаны. Изготовители спект рального оборудования прилагают к каждому атомноабсорбционному спектромет ру специальный сопроводительный документ с указанием длин волн атомных ли ний для всех определяемых элементов и подробную инструкцию по пользованию прибором. В случае компьютеризованных устройств необходимые параметры вклю чены в программное обеспечение ПК. Тогда достаточно выбрать через меню подле жащий исследованию элемент, а все прочие настройки компьютер возьмет на себя.

9.3.3. Чувствительность и пределы обнаружения Аналитическая эффективность элементного определения выражается обычно дву мя разными измеряемыми показателями. Как характеристическая концентрация, так и предел обнаружения несут в себе весьма важную информацию1. Характеристическая концентрация есть мера чувствительности, определяемая как масса анализируемого элемента, выдающая сигнал абсорбции Е = 0,0044, что 1

Предел обнаружения является расчетным, а не измеряемым показателем. – Прим. ред.

236

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

соответствует поглощению 1%1. Предел обнаружения есть такая концентрация эле мента в растворе, которая дает абсорбцию, соответствующую тройному стандарт ному отклонению «холостой» пробы. Этот показатель отражает отношение сигнал/ шум измерительного прибора и обусловливается многими факторами, среди кото рых: особенности конструктивного исполнения прибора, в частности его оптичес кой системы, а также характеристическая концентрация и стабильность сигнала. Сопровождаемый сильным шумом сигнал серьезно затрудняет процесс различе ния аналитического сигнала на фоне случайных колебаний в основной линии. Точные измерения принципиально невозможно провести вблизи пределов обнаружения. На границе обнаружения точность измерения, то есть стандартное отклонение, занимает место в районе 33%. Поэтому на практике рутинные лабо раторные анализы проводятся в области концентраций, находящейся минимум в 6–10 раз выше установленного предела обнаружения. Пределы обнаружения можно понизить за счет улучшения отношения сиг нал/шум. Отбор атомной линии определяет чувствительность. Обычно для этой цели используют самую интенсивную резонансную линию, поскольку линии мень шей интенсивности показывают худшие пределы обнаружения. Увеличение све топропускания достигается применением более сильных ламп и расширением щели. Но ширина щели влияет на спектральное разрешение резонансной линии, и при повышенных концентрациях усиливается искривление градуировочного графика, если ширина щели выбирается слишком большой. При этом следует обязательно учитывать такой фактор, как старение лампы. Когда срок службы лампы заканчивается, изменяются ее спектральные характе ристики. Это приводит к ухудшению отношения сигнал/шум и повышению пре делов обнаружения.

9.4. Атомноабсорбционный спектрометр Общая конструкция атомноабсорбционного спектрометра проста и лишь немного отличается от исполнения спектрометра для УФ/видимой областей. Если в после днем случае в качестве поглощающей среды служит кварцевая кювета, то при атом ной абсорбции используется поглощающая высокотемпературная ячейка, где иссле дуемая проба подвергается атомизации. При стандартных определениях следовых количеств веществ для этой цели успешно применяют подходящее пламя (рис. 9.3). Далее, требуется источник излучения для получения спектра интересующего эле мента: известные лампы с полым катодом испускают линейчатый спектр подлежа щего исследованию элемента. Наконец, монохроматор обеспечивает спектральное разложение света, а детектор осуществляет измерение интенсивности излучения. Требования к спектральному разрешению абсорбционного спектрометра не столь строги, как в отношении эмиссионного спектрометра. Поэтому, как прави ло, используются монохроматоры с разрешением около 0,1 нм, которые, будучи смонтированы на устойчивом основании, гарантируют длительную работу без нежелательных дрейфов. 1

Характеристическая концентрация – это концентрация элемента, а характеристическая масса – это масса элемента, обеспечивающие сигнал абсорбции 0.0044. – Прим. ред.

9.4. Атомноабсорбционный спектрометр

Эмиссионный спектр лампы

Лампа с полым катодом для получения линейчатого спектра

Атомная абсорбция

237

Выделение линии

Моно хроматор

Детектор

Пламя для атомизации

Рис. 9.3. Блоксхема атомноабсорбционного спектрометра с пламенной атоми зацией

9.4.1. Принцип модуляции и спектральные помехи Как уже говорилось выше, из пробы, размещенной в горячей поглощающей ячей ке, возникают не только атомы в основном состоянии, способные затем погло щать свет. Кроме этого, какаято часть атомов пробы термически возбуждается и может, в свою очередь, испускать излучение. Таким образом, детектор принимает не только излучение из источника света, ослабление которого атомами пробы измеряется по принципу атомноабсорбционной спектроскопии, но и излучение возбужденных атомов в пробе. Если при этом речь идет не об атомах интересую щего элемента, а о примесных атомах сопутствующих элементов, также содержа щихся в пробе, то по причине так называемых спектральных помех это может при вести к значительным искажениям результатов измерения. Если свет не отфильт рованной монохроматором линии спектра излучения тоже попадает на детектор, то последний фиксирует меньшее понижение интенсивности света, чем это соот ветствует искомой атомной абсорбции. Во избежание помех такого рода, хорошо известных по эмиссионному спект ральному анализу, в атомноабсорбционной спектроскопии применяют принцип переменного света, или принцип модуляции. К такому способу прибегал еще Уолш в 1953 г., пытаясь устранить вызванные световым излучением помехи. С этой це лью исходящее от источника света излучение модулируется с определенной час тотой, например 50 Гц, причем: • или вместо постоянного тока подается переменный ток либо прямоуголь ные импульсы, • или между источником света и атомизатором монтируется прерыватель (вра щающееся секторное зеркало). Этим создается возможность различения модулированного, элементноспе цифичного излучения из источника света и непрерывного, немодулированного излучения мешающих элементов из пламени. После прохождения через пламя

238

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Излучение источника света модулируется с определенной частотой, селективный усилитель настраивается на ту же частоту

После прохождения через поглощающую ячейку излучение состоит из Id = Io – Ia. Селективный усилитель усиливает только модулированные компоненты

Рис. 9.4. Принцип модуляции для устранения спектральных интерференций

излучение состоит из модулированной части – ослабленного атомной абсорбци ей излучения источника света и немодулированной части – излучения, испускае мого пламенем (рис. 9.4). Для разделения двух видов излучения используют подключенный к приемнику селективный усилитель, настроенный на ту же частоту модуляции, что и источник первичного света. При подобной схеме детектор «видит» только характеристичес кое для конкретного элемента понижение мощности излучения источника света.

9.4.2. Ширина спектральных линий Так как у атомноабсорбционного спектрометра источник света отображается на детекторе или, соответственно, на находящейся перед ним выходной щели моно хроматора, к нему должны предъявляться совершенно определенные требования. Оптимальный коэффициент полезного действия получают при использовании светосильного источника излучения с достижением, при очень высоких концен трациях атомов, полного погасания (поглощения), ибо тогда даже незначитель ные изменения в концентрации атомов дают четкие, измеряемые различия в по глощении. Успешнее всего с это задачей справляется источник света, излучающий толь ко спектр интересующего элемента, а именно в форме узких линий, ширина ко торых меньше ширины линий поглощения, которые сами обладают конечной шириной. Полуширина, то есть ширина при половинной высоте линии, находит ся в области порядка величины от 0,0005 до 0,005 нм, обусловленной неупорядо ченным тепловым движением атомов и разнообразными их столкновениями. До полнительно образуется так называемая сверхтонкая структура линий, вызван ная изотопным смещением и спином ядра. Но такой эффект может наблюдаться только при очень тяжелых либо очень легких атомах, обычно же данная тонкая структура тонет в нормальных эффектах уширения. Итак, полуширина атомных линий находится в диапазоне от 0,0005 до 0,005 нм. Идущий от источника возбуждающий свет должен попадать точно на этот узкий интервал частот.

9.5. Лампы с полым катодом

239

Поскольку атомы могут поглощать лишь в таком очень узком интервале частот, к источнику излучения приходится предъявлять совершенно особые требования. Непрерывные источники света здесь даже не рассматриваются1, так как при выде лении столь узкого интервала через соответствующую оптическую диафрагму не избежно происходило бы резкое понижение интенсивности излучения. Поэтому лучше использовать линейчатые излучатели, выдающие именно спектр опреде ляемого элемента. Лампы с полым катодом и безэлектродные излучатели, воз буждаемые высокой частотой, в полной мере отвечают этим требованиям, если только не эксплуатируются со слишком высокой силой тока и, соответственно, с максимальной мощностью. Но при подобных линейчатых излучателях приходит ся с помощью монохроматора отделять только резонансную линию от других спек тральных линий того же элемента. На детектор попадает тогда лишь резонансная линия с вызванным пробой индицируемым ослаблением. В этом случае абсорб ция прямо пропорциональна общему числу имеющихся свободных атомов. Итак, применение элементноспецифичных источников излучения с малой шириной спектральных линий и одновременное использование принципа модуляции исключают при атомноабсорбционной спектроскопии возможные спектральные помехи, сообщая это му способу высокую характеристичность и требуемую избирательность.

9.5. Лампы с полым катодом В современной практике для целей возбуждения находят применение главным образом лампы с полым катодом, ибо они с точки зрения мощности и удобства обращения в наибольшей степени соответствуют условиям повседневной рабо ты. Такая лампа состоит из стеклянного баллона цилиндрической формы, запол ненного под давлением в несколько миллибар инертным газом (неоном или арго ном), с впаянными катодом и анодом. Сам катод изготовлен в виде полого ци линдра или стаканчика, либо заполненного интересующим материалом, либо просто выполненного из такового. Анод в большинстве случаев представляет со бой кусок толстой проволоки, чаще всего из вольфрама или никеля (рис. 9.5). Экран из стекла

Анод

Катод

Баллон

Кварцевое окно

Рис. 9.5. Схема лампы с полым катодом 1

Ксеноновые лампы сверхвысокого давления, излучающие яркий и непрерывный спектр, используются в качестве источников излучения света в атомноабсорбционной спектро скопии. – Прим. ред.

240

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Если между катодом и анодом подается напряжение от 100 до 400 В, то проис ходит разряд: газнаполнитель ионизируется, ионы газа вследствие градиента по тенциала падают на металлическую поверхность катода и там разряжаются. Од новременно с этим атомы металла выбиваются из поверхности катода и возбуж даются. Эти возбужденные атомы металла при возвращении в основное состоя ние выдают затем спектр излучения материала катода. Поскольку данный процесс в лампе протекает при сильно пониженном давлении, то уширение линий в ре зультате низкого давления становится едва заметным. Линии спектра излучения, таким образом, обладают меньшей шириной, чем линии спектра поглощения, на блюдаемые при атмосферном давлении. Так как наибольшая часть излучения выходит из внутренней части полого ци линдра, то это испускание достаточно хорошо фокусируется и направляется. В ре зультате повышения регулируемого тока лампы излучается больше света и создает ся лучшее отношение сигнал/шум. Недостатком же является связанное с этим уши рение резонансной линии, вызываемое эффектом самопоглощения. Такое само поглощение лампы объясняется тем, что образующееся перед эмиссионным катодом атомное облако само поглощает испускаемое излучение и, следовательно, посыла ет меньше света на собственно поглощающую ячейку. Это приводит к снижению чувствительности поглощения и сокращению срока службы лампы. Поэтому ни в коем случае не следует превышать указанную на каждой лампе величину тока. Этот отрицательный для данной ситуации эффект приобретает вполне положительный характер при измерении фона (принцип Смита – Хифти), о чем ниже будет гово риться подробнее. Для повышения яркости лампы может быть встроен дополнительный катод, служащий источником электронов. Испускаемые электроны возбуждают при этом другие атомы, остающиеся в основном состоянии. С таким дополнительным га зовым разрядом у подобных «суперламп» повышается световая мощность. Благо даря этому стихает обусловленный основными линиями шум и уменьшается са мопоглощение [9.3].

9.5.1. Многоэлементные лампы с полым катодом Все чаще воспринимается как недостаток тот факт, что при атомноабсорбцион ной спектроскопии в принципе для любого определяемого элемента приходится использовать отдельный источник света, в связи с чем уже давно предпринима лись попытки создания так называемых многоэлементных ламп с полым като дом. С этой целью разные порошкообразные металлы смешиваются в определен ной пропорции, прессуются и спекаются до получения полого катода. Таким спо собом можно получить практически любые сочетания разных металлов. Правда, придется смириться с тем обстоятельством, что интенсивность спектра для каж дого отдельного элемента будет несколько слабее, чем в случае сравнимых одно элементных ламп. В то время как комбинированные лампы, рассчитанные на 2 или 3 элемента, не создают особых проблем в процессе эксплуатации, у ламп для четырех или бо лее компонентов вещества интенсивность излучения для отдельных резонансных

9.6. Процесс атомизации

241

линий частью гораздо ниже, чем у одноэлементных ламп. Результатом этого мо жет стать неблагоприятное отношение сигнал/шум, поскольку данный факт вли яет как на точность, так и на предел обнаружения прибора. Следует помнить, что при использовании многоэлементных полых катодов ни в коем случае не должно исчезнуть неоценимое преимущество атомноабсорбционной спектроскопии, а именно специфичность этого метода, что вполне может произойти в силу спект ральных помех при наличии неподходящих сочетаний металлов.

9.5.2. Безэлектродные разрядные лампы При использовании лампы такого типа радиочастотами возбуждается излучение со ответствующего элемента из чистого металла, галогенидов либо металла с добавле нием йода. Безэлектродные разрядные лампы состоят из запаянной с обоих концов кварцевой трубки длиной несколько сантиметров и диаметром от 5 до 10 мм. Они заполнены несколькими миллиграммами интересующего элемента в среде аргона под давлением в несколько миллибар. Эта трубка помещается в катушку высокочастот ного генератора 27 МГц и возбуждается с мощностью до 200 Вт. Главным достоин ством безэлектродных разрядных ламп, по сравнению с традиционными лампами с полым катодом, является на порядки более интенсивное излучение.

9.6. Процесс атомизации Атомизация, то есть перевод пробы в атомарное состояние, представляет собой достаточно сложный процесс, в конечном итоге определяющий успех атомноаб сорбционного анализа. Впрочем, приборная техника и уровень знаний в области процессов атомизации в последние годы поднялись на такую высоту, что анали тик способен сегодня решить практически любую задачу. На роль устройства ато мизации могут быть выбраны: • пламя, • графитовая трубчатая печь и • техника гидридных соединений и холодного пара.

9.6.1. Атомизация в пламени Самым давним и по сей день наиболее распространенным средством атомизации является пламя подходящей температуры. Пламенную атомноабсорбционную спектроскопию обоснованно относят к числу весьма эффективных и быстрых ме тодов. Задача пламени здесь заключается в том, чтобы из имеющихся в пробе ионов или молекул получить атомы металла в основном состоянии. Устойчивое горение пламени возможно лишь при условии, что скорость течения газовой смеси будет равна скорости его горения. По этой причине в случае быстро сгорающих смесей газов приходится работать с высокими скоростями течения, и здесь речь может идти в основном о двух разных видах пламени, различающихся своей температурой. Это: • пламя смеси воздуха и ацетилена и • пламя смеси веселящего газа (закиси азота) и ацетилена.

242

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Òàáëèöà 9.2. Õàðàêòåðèñòèêà ðàçíûõ ïëàìåí Ãîðþ÷èé Îêèñëèòåëü Òåìïåðàòóðà Ñêîðîñòü ãàç ïëàìåíè, °Ñ ãîðåíèÿ, ñì ⋅ ñ–1

Õàðàêòåð ïëàìåíè

Ïðèìåíåíèå â àíàëèòèêå

Ìåòàí

Âîçäóõ

1 800

55

Ëàìèíàðíûé

Îïðåäåëåíèå ùåëî÷íûõ ìåòàëëîâ

Àöåòèëåí

Âîçäóõ

2 300

260

Ëàìèíàðíûé

Ïîãëîùàþùàÿ ÿ÷åéêà äëÿ àòîìíîàáñîðáöèîííîé ñïåêòðîñêîïèè

Âîäîðîä

Êèñëîðîä

2 600

3 700

Òóðáóëåíòíûé

Ðàíåå – äëÿ îïðåäåëåíèÿ òÿæåëûõ ìåòàëëîâ

2 800

120

Ëàìèíàðíûé

Ïîãëîùàþùàÿ ÿ÷åéêà äëÿ àòîìíîàáñîðáöèîííîé ñïåêòðîñêîïèè

Àöåòèëåí Çàêèñü àçîòà (âåñåëÿùèé ãàç)

Для ряда особых ситуаций может быть рекомендовано пламя смеси воздуха с во дородом или диффузионное пламя смеси аргона с водородом. На практике встреча ется два типа горелок – ламинарная и турбулентная. В ламинарной горелке атомизи руется только часть распыленной в пламени пробы, в то время как турбулентная го релка функционирует по принципу полного расхода (total consumption). В табл. 9.2 приведена характеристика разных видов пламен. В области аналитических исследо ваний особой популярностью пользуется ламинарная горелка с учетом ее благопри ятных свойств с точки зрения шумов и фоновых эффектов.

9.6.1.1. Пламя смеси воздуха и ацетилена Речь пойдет о самом известном и самом распространенном в атомноабсорбцион ной спектрометрии пламени на основе воздуха/ацетилена с температурой около 2300°С. Оно создает для множества элементов наиболее благоприятную среду и впол не достаточную для атомизации температуру, причем только в исключительных слу чаях (например, при щелочных металлах) отмечается заметная ионизация. Это пламя абсолютно прозрачно в широкой области спектра и только ниже 230 нм обнаружи вает скольконибудь значимое самопоглощение. Кроме того, эмиссия пламени воз дух/ацетилен очень невелика, так что для многих элементов могут быть созданы просто идеальные условия. В стандартном варианте пламя действует по принципу стехиометрии либо слабого окисления (при избытке воздуха), но оно может варьи роваться в широком диапазоне, что еще больше расширяет область его примене ния. В пламени с сильным окислением можно определять некоторые благородные металлы (Au, Ir, Pd, Pt, Rh) с максимальной чувствительностью и практически без разрушения образца. Для щелочноземельных металлов, напротив, лучше подойдет пламя с легким восстановительным действием (при избытке ацетилена). Так как, согласно закону Ламберта – Бера, абсорбция пропорциональна дли не пути прохождения через поглощающую ячейку, горелки выполняются в форме удлиненной щели. Обычные щелевые горелки имеют длину щели 10 см и ширину 0,5 мм. Для прохождения света полого катода по всей длине щели горелка должна быть установлена точно в оптическом ходе лучей. 9.6.1.2. Пламя смеси веселящего газа и ацетилена Температуры пламени смеси воздуха с ацетиленом бывает недостаточно, чтобы диссоциировать многочисленные, преимущественно оксидные связи или воспре

9.6. Процесс атомизации

243

пятствовать их образованию в пламени. Для этой цели лучше воспользоваться пламенем на основе веселящего газа (закиси азота) и ацетилена, дающим темпе ратуру около 2800°С. Это более горячее пламя обеспечивает, благодаря его низкой скорости горения, благоприятное химическое, термическое и оптическое окру жение практически для всех металлов, определение которых с использованием пламени воздух/ацетилен вызывает некоторые трудности. Рассматриваемое пла мя обладает восстановительным действием и поэтому успешно используется для определения элементов, имеющих сильное сродство к кислороду (алюминий, бор, кремний и редкоземельные металлы). Пламя смеси веселящего газа/ацетилена, используемое обычно с некоторым избытком горючего газа, показывает над голубоватобелой зоной первичной ре акции высотой от 2 до 4 мм характерную красную восстановительную зону вы сотой от 5 до 50 мм. Над ней высится тогда зона вторичной реакции бледного синеватофиолетового цвета, в которой осуществляется окисление горючего газа. С аналитической точки зрения интерес представляет лишь красная восстанови тельная зона. Здесь происходит термическая диссоциация вещества пробы в ато мы, и здесь может протекать также, пока не очень сильное, окисление атомов металла. Пламя смеси веселящего газа и ацетилена зажигается не напрямую, а косвен но – через пламя смеси воздуха/ацетилена. При этом компьютеризованная сис тема газоснабжения автоматически меняет подачу газа для разных видов пламе ни. Горение пламени осуществляется согласно стехиометрическому уравнению: 3N2О + C2H2 → CO + N2 + H2O1. Следует, тем не менее, указать на два недостатка этого вида пламени, которые надо обязательно принимать в расчет. Приходит время, когда многочисленные элементы в горячем пламени более или менее сильно ионизируются, обнаружи вая понижение чувствительности; кроме того, такое пламя обладает довольно зна чительным самопоглощением.

9.6.1.3. Распылители и смесительные камеры Пламенная атомноабсорбционная спектроскопия ограничивается анализом ра створенных проб. Предлагаемые в жидком состоянии пробы подаются в пламя в виде аэрозоля, при этом добротность измерения в значительной мере зависит от надежности функционирования систем горения и распыления. Еще в прошлом веке Г.Л. Гой использовал при изучении причин окрашивания пламени концент рический пневматический распылитель с непрерывной загрузкой материала [9.4]. Позднее этот тип распылителя нашел применение в первых фотометрах для фо тометрии пламени. В большей части пламенных атомноабсорбционных спект рометров еще и сегодня используются системы ламинарного горения с концент рическим пневматическим распылителем. Такая система должна быть химически неактивна, чтобы можно было работать и с коррозионными растворами. Все Стехиометрическое уравнение горения соответствует ЗN2O + С2Н2 → 2 СО + 3 N2 + Н2O. – Прим. ред. 1

244

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Свет лампы с полым катодом

Возбужденные атомы Атомы Молекулы Испарение Расплав Твердые частицы Десольватация

Аэрозоль Горючий газ/ окислитель Горючий газ Раствор

Окислитель Распылитель

Конденсат

Окислитель

Рис. 9.6. Атомизация в пламени

компоненты, соприкасающиеся с раствором пробы, изготовляются поэтому из коррозионностойкого материала, например из платиноиридиевого сплава. Задачей распылителя является перевод раствора пробы в состояние тонкого аэрозоля. Достаточно эффективная атомизация в пламени достижима для капель диаметром всего лишь несколько микрометров. Отдельные процессы, протекаю щие при атомизации, представлены на рис. 9.6. Для более крупных капель требу ется больше времени на процессы испарения растворителя и расщепления солей металлов, так что в этом случае полной атомизации не происходит, к тому же имеют место некоторые светопотери. Таким образом, чувствительность системы опре деляется способностью максимально эффективно переводить пробу в желаемый гранулометрический состав с осаждением более крупных капель. Выход готового аэрозоля может составлять от 5 до 10%. В качестве распыляющей среды используют окислительный газ, то есть воз дух или закись азота, подаваемые в распылитель под давлением 2–3 бара1. Прохо дя через круглое выходное отверстие, газ ускоряется вокруг центрального капил ляра до достижения ультразвукового диапазона. При таком ускорении газа через узкое выходное отверстие на вершине капилляра создается частичный вакуум. В этой разреженной зоне жидкая проба всасывается и уносится потоком газа. При встрече потока жидкости с очень быстрым потоком газа жидкость под действием высоких срезающих сил разрывается на мелкие капли. Как видно из рис. 9.7, аэрозольная смесь отбрасывается на бусину2, где, с одной стороны, продолжается образование аэрозоля, а с другой стороны, собираются и затем стекают более крупные капли [9.5]. Далее аэрозоль попадает в смесительную камеру. Здесь вновь теряется часть капель в результате их столкновения друг с дру гом или ударения о внутренние стенки. После осаждения оставшихся крупных ка пель хорошо смешанный с горючими газами тончайший аэрозоль попадает в пла 1

1 бар – 105 Па. – Прим. ред. 2 Техническое название данного устройства – импактор. – Прим. ред.

9.6. Процесс атомизации

245

Распылительная камера Сопло Вентури

Бусина Всасывающие капилляры для пробы

Окислитель

Рис. 9.7. Распылитель

Щелевая горелка Бусина

Капилляр

Распылитель Слив

Смесительная камера

Рис. 9.8. Схема распылительносмесительной системы в поперечном разрезе

мя (рис. 9.8), где он сначала высушивается. Остаются химические соединения, из которых при дальнейшем подводе тепла возникают атомы в основном состоянии. Основные преимущества атомизации в пламени заключаются в быстроте дан ного метода, простом обслуживании оборудования и практически полном отсут ствии помех, что способствует дальнейшему распространению атомноабсорбци онной спектроскопии в разных областях применения. Воспроизводимость в пла менной технике, как правило, лучше 1%. К недостаткам же можно отнести относи тельно высокий расход измеряемого раствора. Пробы обрабатываются со скоростью от 2 до 10 мл в минуту. Между тем с помощью высокоэффективного атомноабсорб ционного спектрометра с коротким временем срабатывания при продолжительнос ти всасывания около 2 секунд удается добиться достаточно хороших результатов. Спектры, получаемые в пламени, более просты, чем дуговые и искровые, так как температура пламени ниже, чем в электрических источниках возбуждения.

246

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Это облегчает анализ, но, вместе с тем, сужает возможности метода в отношении числа определяемых элементов.

9.6.1.4. Градуировка и коррекция графика Количественные определения проводят методом градуировочного графика с приме нением соответствующих приемов градуировки. Для этого потребуется «холостой» (чистый) раствор и минимум один или лучше несколько стандартов. Обычный холо стой раствор содержит матрицы проб (если таковые известны) и химикаты, необхо димые для соответствующей коррекции фона. На основе холостой величины со здается базовая линия, причем устройство должно быть установлено на абсорбцию, равную 0. Все приборы располагают для этой цели кнопкой «автоматического нуля» (AutoZero). Автоматическое переключение на нуль играет столь же важную роль в правильности анализа, как и тщательный отбор стандартных растворов. Поэтому при холостом значении надо использовать ту же самую частоту считывания и такое же время интегрирования, как при стандартах и пробах. Необходимо располагать ис ходными данными в виде надежной аналитической информации, прежде чем тако вые будут обработаны в применимые результаты. Поэтому чрезвычайно важно с мак симальной тщательностью подойти к установлению времени и периодичности на блюдения, равно как и к отбору требуемых постоянных времени [9.6]. Итак, сначала подаются всасыванием стандартные растворы, по полученным данным абсорбции строится градуировочный график и при необходимости кор ректируется. Затем осуществляется всасывание раствора пробы, причем получен ные ранее данные служат в качестве коэффициентов пересчета абсорбции в кон центрацию. Здесь решающее значение имеет тот факт, что для проб используются те же параметры, что и для стандартов или, соответственно, холостых растворов. В современном оборудовании все задачи подобного рода решаются компьютером с управлением через меню, а градуировочный график индицируется на графичес ком дисплее. Обычно раствор пробы подается до тех пор, пока не достигается ус тойчивое, не зависимое от времени ослабление излучения (рис. 9.9). Сигналы интегрируются через определенные, регулируемые интервалы времени с расче том затем среднего значения. Этот процесс можно повторять до тех пор, пока зна чения не стабилизируются. Расход проб исчисляется обычно несколькими мил лилитрами измеряемого раствора, прогоняемого через распылитель. Коррекция градуировочного графика является важнейшей задачей в атомно абсорбционной спектроскопии, выполнение которой берет на себя компьютер. Если работа ведется в области справедливости закона Ламберта – Бера, то граду ировочные графики должны представлять собой прямые линии. Кривые же не редко бывают неравномерно изогнуты (рис. 9.10). Основной причиной подобно го искривления могут быть эффекты рассеянного света1. Эмиссионная линия из лучающей лампы с полым катодом шире абсорбционной линии2, так что фронты 1

Присутствуют и другие серьезные физические причины искривления градуировочного графика. – Прим. ред. 2

Линия излучения лампы с полым катодом уже, чем абсорбционная линия в атомизаторе. – Прим. ред.

9.6. Процесс атомизации Абсорбция

247

Интегрирование сигнала

Слишком короткое время всасывания

Время всасывания

Рис. 9.9. Интегрирование измеряемой величины Абсорбция Уровень рассеянного света

Концентрация

Рис. 9.10. Искривление градуировочного графика под действием рассеянного света

поглощаться не могут, но рассеиваются в монохроматоре. Монохроматор должен обладать достаточно хорошим разрешением, чтобы указанное искривление было как можно меньше. Ширины щели 0,1–0,2 нм1 обычно бывает достаточно для решения стандартных аналитических задач. Во многих случаях рекомендуется даже выбирать щель большей ширины, чтобы получить желаемое повышение энергии. Это возможно, если лампа с полым катодом имеет в соответствующем диапазоне измерения простой спектр. Помимо прочего, существуют еще явления иониза ции и диффузии, наблюдаемые преимущественно в графитовых трубчатых печах.

9.6.2. Атомизация в графитовой трубчатой печи Пламенная методика имеет, конечно, свои пределы: распылять можно только раство ренные или жидкие пробы не слишком высокой вязкости; для получения аналити ческого сигнала требуется определенный минимальный объем вещества; пламя в даль нем ультрафиолете обнаруживает все возрастающее самопоглощение, которое на уров 1

Речь идет о спектральной ширине щели. – Прим. ред.

248

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

не ниже 200 нм значительно ограничивает применение этого способа. Но наиболь шие ограничения пламенного способа сегодня связаны все же с недостаточной чув ствительностью. Хотя пламя оптимально функционирует в диапазоне миллионных долей (мг/л) и, следовательно, может использоваться для определения основных и сопутствующих компонентов, достигаемые при этом пределы обнаружения уже ни как не отвечают современным требованиям, предъявляемым к исследованиям объек тов окружающей среды или процессам контроля качества. Поэтому уже давно ведет ся поиск таких способов атомизации, которые позволили бы исключить присущие пламенной технике недостатки. Самым успешным и ныне широко применяемым в области следовой аналитики способом считается атомизация в нагреваемой графи товой трубке, упорно внедряемой также в сферу измерений на уровне ультраследов1. Еще в 1959 г. Борис Львов из СанктПетербурга предложил графитовую труб чатую печь для реализации способа атомноабсорбционной спектрометрии [9.7]. Он описал фундаментальные физические принципы, положенные в основу гене рации и уноса атомов из нагретой графитовой трубки [9.8]. Выполненная Льво вым экспериментальная конструкция указала пути для лучшего понимания этой методики, но была столь сложна, что вряд ли могла использоваться в повседнев ной аналитической работе. Впрочем, условия атомизации при этом признавались идеальными. Определяемая проба испарялась в электрической дуге2, и облако газа направлялось в отдельную графитовую трубку. Температура обдуваемой аргоном графитовой трубки постоянно удерживалась на уровне 3000°С. Лишь в 1970 г. технически намного более простая печь была предложена как коммерческое устройство для проведения классической атомноабсорбционной спектроскопии. [9.9]. Но прошло еще почти 10 лет, прежде чем на основе столь своеобразной поглощающей ячейки был разработан надежный метод для ультра следового диапазона без необходимости химического обогащения или отделения матриц [9.10]. В такой печи проба испаряется и одновременно атомизируется в импульсном режиме. При этом следует особо отметить гораздо более эффектив ный по сравнению с пламенной методикой ввод проб – на уровне 50–90%. Графитовая трубка длиной около 30 мм и с внутренним диаметром порядка 6 мм находится в ходе лучей атомноабсорбционного спектрометра. Упруго удерживаемая графитовыми контактами, трубка размещена в охлаждаемом корпусе с протекающим инертным газом (аргоном или азотом) – во избежание возгорания графита. В нее помещается несколько микролитров пробы, и путем подачи переменных напряжений на концы трубки при относительно высокой силе тока до 400 А на основе ее внутрен него сопротивления достигается нагрев до температур порядка 3000°С (рис. 9.11). Твердые образцы можно вводить в трубку как в виде порошка, так и в виде суспензии. Вообще с аналитикой твердых проб связан целый ряд преимуществ, значение которых продолжает расти [9.11]. В частности, здесь можно обходиться без отнимающих много времени и весьма трудоемких операций – приведения вещества в растворимую форму, а также без разделения и обогащения. Благодаря 1

Атомизация элементов в графитовой печи используется только для измерений на уровне ультраследов. – Прим. ред. 2

Испарение с торца электрода, нагреваемого дуговым разрядом. – Прим. ред.

9.6. Процесс атомизации Охлаждающая вода

249

Охлаждающая вода Ход лучей

Ввод пробы

Свет от лампы с полым катодом

Кварцевое окно

Графитовая трубка

Кварцевое окно Инертный газ

Инертный газ

Рис. 9.11. Принцип действия графитовой трубчатой печи

этому удается избежать опасности занесения загрязнений и исключить потери ве щества в ходе подготовки проб. Этим выполняется главное требование следовой аналитики относительно максимально возможного сокращения числа промежу точных шагов. Навески проб находятся в диапазоне от 0,1 до 5 мг [9.12]. Загрузив в графитовую трубку жидкий, разбавленный или даже твердый обра зец, пытаются сначала путем ступенчатого или плавного повышения температу ры по возможности удалить некоторые сопутствующие вещества, чтобы свести к минимуму нежелательные реакции между определяемым элементом и примеся ми, исключив тем самым мешающее поглощение. С электронным регулировани ем температуры проба вначале высушивается при 80–150°С, после чего осуще ствляется пиролиз при температурах от 150 до 1000°С. И только теперь, в резуль тате дальнейшего быстрого повышения температуры, интересующий элемент на Температура, °С Атомизация

Пиролиз Сушка Время, с

Рис. 9.12. Типичная температурная характеристика при атомизации в графитовой трубке1 1

Типичная температурная характеристика (правильное название – температурновремен ная характеристика) обязательно включает в себя еще стадию очистки печи. – Прим. ред.

250

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

конец термически диссоциируется в атомы (рис. 9.12). При этом температура на этапе пиролиза может быть такой высокой, насколько это возможно, но не долж на пока вызывать испарения с потерей определяемого элемента. На этапе атомизации температура должна быть лишь на уровне, необходимом для перевода материи в атомарное основное состояние [9.13]. Температуры, тре буемые для процесса атомизации и нагрева трубки, необходимо поддерживать постоянными не менее 10 секунд1, затем графитовая трубка за короткое время вновь доводится до комнатной температуры. Первое серьезное отличие от атомизации в пламени, которое во время подачи пробы имеет постоянную и никогда не изменяющуюся температуру, состоит в том, что некоторые компоненты пробы (например, растворитель) перед атомизацией ин тересующего элемента отделяются и уже не мешают, как это бывает в пламени. Но термические и химические условия должны быть оптимизированы с целью достиже ния как можно более полного перевода определяемого элемента в свободные атомы. Еще одним достоинством рассматриваемого способа является атмосфера инер тного газа, при которой в графитовой трубчатой печи протекает атомизация, при чем эта атмосфера поддерживается также сильными восстановительными свой ствами накаливаемого углерода. Если в случае пламени всегда существует опас ность, что образовавшиеся в результате термической диссоциации атомы соеди нятся с обладающими высокой реакционной способностью компонентами пламени (атомами кислорода, гидроксильными радикалами) и поэтому не смогут быть определены, то инертная, восстановительная атмосфера в графитовой труб ке только способствует процессу атомизации. Но главное преимущество данного способа заключается в 100–1000кратном повышении чувствительности по сравнению с пламенной атомноабсорбцион ной спектроскопией: его абсолютная обнаружительная способность находится в пикограммовом диапазоне, и для анализа достаточно пробы в количестве от 10 до 50 мкл [9.14]. Повышенная способность к обнаружению объясняется тем, что во время измерения в определяемом объеме отсутствует растворитель и не происхо дит разбавления примесными газами, например горючими газами пламени. Справедливости ради следует заметить, что атомноабсорбционная спектро скопии в печи с графитовой трубкой является все же достаточно медленным спо собом по сравнению с пламенной методикой. На проведение анализа в печи тре буется обычно 2–3 минуты, а перед загрузкой следующего образца печь, путем охлаждения водой, должна быть вновь доведена до комнатной температуры. В пла мени же атомноабсорбционная спектроскопия осуществляется всего за 10 се кунд или даже быстрее. Правда, техника графитовой трубчатой печи имеет то пре имущество, что для нее в основном не обязательны полностью минерализован ные пробы, так что их подготовка намного проще, чем при других способах, что опятьтаки дает определенную экономию времени. Столь же часто, как и неселективные потери света, при атомноабсорбцион ной спектроскопии в графитовой трубчатой печи возникают химические помехи, которые нередко служат причиной сильного подавления сигнала. Подобные по 1

После стадии атомизации следует стадия очистки печи. – Прим. ред.

9.6. Процесс атомизации

251

грешности не устранить никакой коррекцией фона, это возможно лишь в самой печи. Идеальные условия для исключения таких помех могут быть созданы, если во время атомизации графитовая трубка и существующая в ней атмосфера инерт ного газа находятся почти в термическом равновесии. Только при таких условиях появление свободных атомов будет оптимальным, удастся избежать рекомбина ции атомов в молекулы и, следовательно, потерь свободных атомов. Было сделано множество ошибок и потрачена масса сил, времени и денег, пока эта техника получила всеобщее признание. Первоначальный энтузиазм по поводу возможностей атомноабсорбционной спектроскопии по способу графитовой труб чатой печи сменялся горьким разочарованием. Почти каждая публикация на эту тему в 70е годы начиналась с утверждения, что «графитовая трубка как источник атомизации, конечно, обладает отличной чувствительностью при определении мель чайших следов элементов, однако правильность такого определения весьма сомни тельна, учитывая присущие этому способу многочисленные погрешности». Для проведения безупречных, воспроизводимых анализов необходимо при вести графитовую трубчатую печь практически в идеальное химическое равнове сие [9.15], а для достижения этой цели, в свою очередь, придется выполнить ряд условий, среди которых: • • • • • • •

достижение сверхвысокой скорости нагрева, использование платформы Львова, обеспечение своевременного прекращения притока инертного газа, минимальные перепады температур, интегрирование площади сигнала, графическое сопровождение процесса атомизации и модификация матрицы.

Однако неселективных потерь света с помощью только этих мер не избежать – нужна специальная коррекция фона. Порой весьма неблагоприятное соотношение определяемого элемента и примесных веществ, нередко составляющее 1 : 107, требует быстрой и эффективной коррекции фона [9.16]. Полная программа действий предварительно выбирается с помощью управ ляющего устройства и далее выполняется автоматически с высокой точностью. Автоматизация процесса загрузки проб позволила в конечном итоге получить аналитический метод, максимально надежный именно для следовых исследова ний [9.17]. Основной же недостаток его состоит в том, что за один прием обычно удается определить всего один элемент.

9.6.2.1. Сверхвысокая скорость нагрева Поскольку инертный газ в графитовой трубке нагревается от стенок, то во время атоматизации он всегда холоднее стенки. Это обстоятельство чревато тем, что измеряемые атомы не находятся во временном и пространственном равновесии. Это приводит к быстрой рекомбинации атомов в более холодной газовой атмос фере и потерям в пробах изза чрезмерного расширения газов при стремительном повышении температуры. Поэтому продолжительность периода атомизации имеет большое значение, ибо только при том условии, что он короче времени жизни атомов в графитовой

252

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

трубке, может быть достигнута максимальная плотность атомного облака. Так как время жизни атомов в трубке составляет всего несколько десятых секунды, то по нятно, что период атомизации не может превышать, допустим, 0,1 секунды. Сле довательно, здесь не обойтись без «сверхбыстрого» нагрева с регулируемой температурой, обеспечивающей нагревание графитовой трубки до 2000°С в се кунду, и только в этом случае процесс атоматизации протекает достаточно быст ро, и во время измерения достигается максимальная плотность атомов [9.18]. В такой ситуации от спектрометра требуется ускоренная обработка данных, что бы можно было отслеживать мгновенные изменения концентрации свободных ато мов в графитовой трубке. Связанные с этим операции по обработке сигнала базо вой линии, оценке удельной абсорбции и фонового поглощения, выполняемые за несколько сотен миллисекунд, часто приводят к ошибочным результатам. Совре менные приборы выполняют полный цикл измерения с частотой от 50 до 100 с–1.

9.6.2.2. Платформа Львова От качества используемого графита во многом зависит правильность и воспроиз водимость выполняемых анализов. Электрографит, выбранный поначалу для этой цели, был слишком пористым, и пробы могли проникать в него с образованием соответствующих карбидов. Эту проблему удалось решить за счет применения графитовых трубок с пиролитическим покрытием, которые постепенно вытесни ли все прочие исполнения [9.19]. Основным материалом здесь является высоко плотный графит, которому с помощью прессформ можно придавать разные и по рой довольно вычурные формы. Для защиты от действия химикатов и в целях по вышения плотности во избежание атомной диффузии на основной материал на носится слой осажденного пиролитическиим способом углерода высокой чистоты. В связи с тем, что трубка, предназначенная для ультраследового анализа, не мо жет содержать значимых для определяемого элемента примесей, здесь требуется графит с чистотой на уровне триллионных долей. Дальнейшему усовершенствованию метода способствовало внедрение так на зываемой платформы Львова [9.20]. Здесь речь идет о размещенной внутри гра фитовой трубки небольшой пластине из монолитного куска пироуглерода, на ко торой размещается образец (рис. 9.13). При относительно слабом контакте плат формы со стенкой трубки первая нагревается не методом электрического сопро

Ввод пробы

Платформа Львова

Рис. 9.13. Графитовая трубка с платформой Львова в поперечном разрезе

9.6. Процесс атомизации

253

тивления, а излучением, исходящим от стенок трубки и из инертного газа. Для твердых веществ в качестве держателя пробы вместо платформы используется покрытый пиролитическим углеродом графитовый тигель [9.21]. Целью описанного приема является пространственное разделение пробы и нагретой стенки трубки, что позволяет как можно дольше задержать испарение вещества, пока газовая фаза в графитовой трубке не достигнет своей конечной температуры. Благодаря такой атомизации с выдержкой времени обеспечивается то обстоятельство, что данный процесс протекает в более горячей атмосфере, когда расширение газа уже в значительной степени завершено. Это позволяет заметно снизить вызываемые матрицей помехи химического характера. Через держатели на концах графитовых трубок тепло растекается по кювете. При этом температура на концах трубки может быть ниже, чем в центре, на не сколько сотен градусов Цельсия. По этой причине трудно испаряющиеся веще ства атомизируются хуже, иногда отмечается конденсация на более холодных кон цах. Такую проблему можно обойти, если нагревать трубку не вдоль, а поперек, вследствие чего в поглощающей ячейке по всей длине оптического пути достига ется постоянная температура [9.22].

9.6.2.3. Перепад температур и прекращение притока инертного газа Еще одним важным фактором является скачок температур между предваритель ной тепловой обработкой и собственно атомизацией. Желательно, чтобы такой перепад был ниже 1000°С, тогда можно быстрее добиться термического равнове сия и умеренного расширения газа1. При температурах выше 600°С графит теряет свою стойкость к действию кислорода. Во избежание обгорания всех горячих ча стей графита прибегают к обдуву инертным газом, чаще всего аргоном. Одновре менно атмосфера инертного газа препятствует окислению атомов пробы кисло родом воздуха. И наконец, с потоком инертного газа из активной зоны печи уно сятся образующиеся на этапах сушки и пиролиза пары и продукты распада. Этот приток инертного газа на короткое время прекращается во время соб ственно атомизации. Используя такой прием (его иногда называют «газстоп») в процессе атомизации, удается избежать охлаждения инертного газа и исключить потери в результате уноса атомов из трубки. Благодаря этому увеличивается про должительность пребывания атомов в ходе лучей. 9.6.2.4. Интегрирование площади сигнала Поскольку речь идет об ограниченном количестве проб, то здесь наблюдаются зави симые от времени сигналы спектра поглощения. В разных материалах проб присут ствуют, естественно, и разные соединения. Свойственная им летучесть, как и лету честь матрицы, оказывают влияние на скорость атомизации элемента и, тем самым, также на последовательность прохождения сигнала спектра поглощения во времени. Введенной в графитовую трубку массе определяемого элемента соответствует абсо лютное число поглощающих атомов. При прямом определении измерение уровня сигнала может дать правильный результат только при наличии сигналов одинаковой 1

Более равномерного температурного распределения в печи достигают, наоборот, введени ем стадии охлаждения после стадии пиролиза, т.е. перед стадией атомизации. – Прим. ред.

254

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

формы. Измерения станут гораздо более независимыми от выбора конечной темпе ратуры, если вместо уровня или, соответственно, величины сигнала1 привлекать для целей обработки площади сигналов [9.23]. Путем интегрирования площадей сигна лов можно при изотермических условиях атомизации выделить отличное от других поведение при атомизации на основе разных физических свойств соединений. Во многих случаях интегрирование сигнала обеспечивает также улучшение отношения сигнал/шум и, следовательно, понижение предела обнаружения [9.24]. Однако этот прием предполагает чрезвычайно высокие требования к точности определения базовой линии. Измерение соответствующего опорного сигнала осу ществляется незадолго до ввода подлежащего измерению вещества и по заверше нии предварительной тепловой обработки, то есть – по времени – непосредствен но перед атомизацией, когда еще не происходит поглощения.

9.6.2.5. Графическое сопровождение процесса атомизации Современные атомноабсорбционные спектрометры позволяют отслеживать ход процесса атомизации во времени прямо на экране дисплея. Графический способ отображения последовательности быстро проходящих сигналов способствует оп тимизации метода измерения в графитовой трубке. Выводимая на экран и отли чающаяся высокой разрешающей способностью графическая индикация анали тического сигнала, причем одновременно элемента и фона, предлагает аналити ческую информацию в максимально возможном объеме (рис. 9.14). Благодаря индикации на экране дисплея достигается оптимальная настройка процессов предварительной обработки, коррекции фона, установка самой благо приятной температуры и наилучшего времени атомизации. Поэтому оценка ре зультатов анализа на основе отображенной на экране информации приобретает все большее значение, в том числе и в методике с графитовой трубкой. 9.6.2.6. Модификация матрицы С другой стороны, возможно дополнительное влияние на эффективность процесса атомизации путем принятия соответствующих мер по модификации матриц, пред Абсорбция

Фон Скорректированный сигнал

Базовая линия

Время, с

Рис. 9.14. Отображение процесса атомизации на дисплее 1

Амплитуда пикового сигнала. – Прим. ред.

9.6. Процесс атомизации

255

ложенных в 1975 г. Р.Д. Эдингером [9.25]. В зависимости от выбора добавляемого модификатора, присутствующие в исследуемом веществе примеси становятся бо лее летучими, либо само вещество термически более стабильным, то есть менее ле тучим. Таким образом, матричную модификацию всегда следует рассматривать в связи с конкретной пробой и имеющимися термическими условиями. Химические добавки должны при этом поддерживать процессы пиролиза и атомизации. Если, например, требуется определить в матрице NaCl легколетучие элемен ты (свинец или кадмий), то труднолетучий NaCl одновременно улетучивается обычно только при атомизации, что приводит к высоким неселективным поте рям света. Если к пробе добавить NH4NO3, то образуется два легколетучих соеди нения, NaNO3 и NH4Cl. Они улетучиваются из графитовой трубки при темпера туре от 300 до 400°С, так что указанные светопотери значительно меньше влияют на собственно определение элемента. Смесь из нитрата палладия и нитрата магния отлично стабилизирует почти все достаточно легколетучие элементы. Благодаря этому удается избежать потерь во время предварительной термической обработки и удалить многочисленные сопут ствующие вещества, чем обеспечивается значительное снижение помех. Это суще ственно облегчает использование графитовой трубчатой печи в повседневной ра боте аналитической лаборатории и повышает точность проведения анализов.

9.6.3. Методика на основе гидридных соединений и холодных паров ртути В основу так называемого гидридного метода положен давно известный факт, что некоторые элементы четвертой, пятой и шестой главной группы образуют лету чие гидриды. Большое преимущество гидридной атомноабсорбционной спект роскопии заключается в том, что определяемый элемент перед переводом его в атомизатор отделяется в форме газообразного гидрида почти от всех имеющихся примесей. Поэтому при правильном проведении метода практически не встреча ется, например, спектральных помех в результате рассеяния света либо молеку лярной абсорбции [9.26]. Помехи в газовой фазе тоже маловероятны, учитывая незначительное число элементов, улетучивающихся таким образом. Итак, гидридообразующие элементы, как то: • мышьяк, селен, сурьма, теллур, висмут и олово, – можно выделять из матрицы и проводить затем определение с высокой чувстви тельностью и почти без помех [9.27]. Подобное измерение удается осуществлять достаточно точно и в большинстве случаев не прибегая к коррекции фона, при чем требования к спектрометрам – по сравнению с техникой графитовой трубча той печи – здесь не столь строги [9.28]. В реакционном сосуде в результате реакции с восстановителем, бортетрагидри дом натрия, образуются газообразные гидриды, которые потоком аргона вместе с также образующимся газообразным водородом направляются в нагретую только до 800–1000°С кварцевую трубку. Там при относительно низкой температуре осуще ствляется разложение на элементы, то есть собственно атомизация. Ячейка нахо дится в камере образца, так что могут измеряться возникающие в процессе разло

256

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия Свет от лампы с полым катодом Раствор NaBH4 Газообразный гидрид

Измерительная кювета

Раствор пробы

Рис. 9.15. Схема системы на основе гидридных соединений и холодных паров ртути

жения атомы (рис. 9.15). По сравнению с пламенной техникой, пределы обнаруже ния при таком методе на несколько порядков лучше. При работе с пламенем, в ре зультате перевода исследуемого вещества в газообразную фазу, происходит разбавле ние в 105–106 раз, в то время как коэффициент разбавления при гидридной методи ке не превышает 500. Чувствительность при этом, только благодаря переходу с рас пыления раствора на отделение в форме гидридов, возрастает в 103 раз. Абсолютный предел обнаружения при гидридном методе тоже лучше, чем при использовании графитовой трубчатой печи, но расход пробы больше и составляет обычно 0,5 мл1 с относительным стандартным отклонением порядка 1–2%. В лю бом случае, здесь требуется более трудоемкая пробоподготовка, чем при методе с графитовой трубкой. Проба должна быть полностью растворена, а подлежащий измерению элемент доведен до определенной степени окисления. С таким же оборудованием можно определять и ртуть методом холодного пара [9.29]. Ртуть уже при комнатной температуре пребывает в атомарной форме, ее остается лишь перенести потоком газа в поглощающую кювету. Учитывая высо кую токсичность ртути, определять ее приходится не только в питьевой воде, но и практически во всех сферах жизни, на любых уровнях – вплоть до субмиллиард ных долей. Максимальная концентрация ртути в питьевой воде составляет по рядка 0,002 мг/л. В пламени ртуть показывает довольно плохую чувствительность. При использовании техники графитовой трубчатой печи возникает та проблема, что вследствие низкой температуры испарения Hg отделение матрицы оказыва ется делом весьма тяжелым, а иногда и просто невозможным. И как раз в таких ситуациях имеет смысл выбрать способ холодного пара для определения ртути. Ртуть под действием подходящего восстановителя восстанав ливается в металл и с потоком газа в виде пара переводится из раствора в кювету, поскольку ртуть – это единственный металл, показывающий значительное дав ление пара уже при комнатной температуре. Благодаря этому достигаются стан дартные пределы обнаружения порядка 0,1 мкг/л (100 миллиардных долей). В ка 1

Объем пробы может быть любой, но обычный объем анализируемого раствора составля ет 5–20 мл. – Прим. ред.

9.6. Процесс атомизации

257

честве восстановителей могут служить хлорид олова либо боргидрид натрия. Если в последнем случае возможно разложение всех органических и неорганических соединений ртути, то при использовании хлористого олова для органических со единений требуется специальная подготовка пробы на основе гидролиза или ми нерализации. Но зато боргидрид натрия обеспечивает несколько лучшие пределы обнаружения [9.30].

9.6.4. Критерии выбора подходящего способа атомно'абсорбционной спектроскопии При выборе из трех предлагаемых способов атомноабсорбционной спектроско пии пользователю предстоит решить, какой из них более всего подходит для по ставленной конкретной задачи. Здесь следует принимать в расчет не только чув ствительность способа, но и время, необходимое для его реализации, а также рас ход проб подлежащего исследованию вещества. В табл. 9.3 приведены некоторые данные, призванные облегчить выбор наиболее подходящего способа. При реше нии специальных задач приходится принимать во внимание и другие критерии, например степень автоматизации оборудования или возможность осуществления контроля процессов. И пламенный способ, и техника с графитовой трубкой в принципе вполне пригодны для целей автоматизации. В случае атомноабсорбционной спектро скопии с графитовой трубчатой печью автоматическая загрузка пробы представ ляется абсолютно необходимой уже хотя бы с учетом опасности загрязнения ве щества при ручном способе работы. Механизм подачи пробы может как угодно часто пипетировать в графитовую трубку свободно выбираемые объемы проб и стан дартного раствора. Пользователю достаточно лишь установить подходящую про грамму для спектрометра, печи и автоматического накопителя. Далее система сама вычисляет градуировочные графические характеристики и проводит замеры проб. В рамках пламенной техники были также разработаны специальные автома ты, обеспечивающие последовательное засасывание разных проб и автоматичес кое проведение их анализа. Особый случай представляет собой инжекционный способ, при котором можно распылить в пламени всего несколько микролитров раствора пробы – либо вручную, либо с помощью автомата (рис. 9.16). Такой спо соб подачи годится и для осуществления постоянного наблюдения за потоком поступающих проб, из которого в непрерывном режиме берутся небольшие объе Òàáëèöà 9.3. Ðàçíûå ñïîñîáû àòîìíî-àáñîðáöèîííîé ñïåêòðîñêîïèè Ñ ïëàìåíåì

– âûñîêàÿ òî÷íîñòü – âûñîêàÿ ñêîðîñòü – ïðåäåë îáíàðóæåíèÿ â îáëàñòè ìèëëèîííûõ äîëåé

Ñ ãðàôèòîâîé òðóá÷àòîé ïå÷üþ

– ïðåäåë îáíàðóæåíèÿ îò ìèëëèàðäíûõ äî òðèëëèîííûõ äîëåé – ðàáîòà ñ ìèêðîïðîáàìè – âîçìîæíîñòü äîçèðîâêè òâåðäûõ îáðàçöîâ

Ñ ãèäðèäàìè è õîëîäíûìè ïàðàìè

– íàèëó÷øèå ïðåäåëû îáíàðóæåíèÿ äëÿ Hg, As, Bi, Sb, Se, Sn, Te – îòíîñèòåëüíîå îòñóòñòâèå èíòåðôåðåíöèé

258

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Рис. 9.16. Механизм автоматической подачи проб при инжекционном способе

мы. Этим обеспечивается надежный контроль химикотехнологических процес сов, а при соответствующем дополнительном оснащении атомноабсорбционно го спектрометра – также и управление ими.

9.7. Помехи Поскольку атомноабсорбционная спектроскопия есть относительный метод, то есть количественные измерения выполняются лишь на основе сравнения со стан дартными веществами, то любое отличающееся от стандарта поведение пробы может стать источником помех. Совокупность подобных потенциальных погреш ностей, которые, не будучи распознаны, приводят к ошибочным измерениям, именуется помехами. При этом, в зависимости от конкретной причины, можно говорить о химических, физических, фоновых или спектральных помехах.

9.7.1. Химические помехи Строго говоря, химической помехой является любое образование соединения, пре пятствующее количественной атомизации элемента. В процессе сушки капель аэрозоля путем испарения растворителя решается вопрос, какова будет химичес кая связь интересующего элемента. Как и в случае макроскопических процессов, образование соединения здесь тоже определяется (ионным) произведением ра створимости и законом действия масс. Так, например, при определении кальция из раствора, содержащего ионы Na, Ca, Cl и SO4, в пламени образуется сначала CaSО4, который при дальнейшем воз действии температуры пламени преобразуется в СаО. Но если для калибровки при меняют растворы CaCl2, то при этом не образуется СаО, который едва ли может атомизироваться в пламени воздуха/ацетилена. Это означает, что при такой же концентрации ионов кальция в растворе образуется гораздо меньше атомов Са, если здесь присутствуют ионы сульфатов. Избежать химических помех часто уда ется благодаря применению более горячего и обладающего сильным восстанови тельным действием пламени смеси закиси азота и ацетилена. Универсальным способом избежания такого рода помех считается добавка (в избытке!) другого катиона, который образует с мешающим анионом соединение с еще меньшим произведением растворимости, чем у определяемого элемента.

9.7. Помехи

259

В данном случае можно использовать, например, барий: добавив в избытке BaCl2 к указанному выше раствору, получают весь сульфат как выпавший в осадок BaSO4 и кальций в виде CaCl2. В присутствии фосфатов при высушивании капли раствора образуется фос фат кальция, превращающийся при дальнейшем нагревании в тугоплавкий пи рофосфат кальция, который лишь с большим трудом может быть диссоцииро ван в атомы. В этом случае в качестве комплексообразователя может быть до бавлен раствор ЭДТУ (этилендиаминтетрауксусная кислота), который в резуль тате комплексации кальция препятствует образованию фосфата кальция. При последующей атомизации никаких трудностей уже не возникает, поскольку ком плекс Са – ЭДТУ термически не особенно устойчив, так что возможно осво бождение кальция. Еще один вариант устранения химических помех состоит в использовании более горячего пламени. Пламя закиси азота с ацетиленом способно вызвать термическую диссоциацию даже относительно стойких соединений и, кроме того, обладает четко выраженными восстановительными свойствами.

9.7.2. Физические помехи Понятие «физические помехи» включает в себя все помехи, обусловливающие об щую численность образовавшихся атомов на основе разных физических свойств раствора пробы. Собственно причиной в данном случае почти всегда является пневматический распылитель. Присущая распылителю скорость всасывания и эф фективность образования аэрозоля зависят от физических характеристик раство ра пробы, а именно: • плотности, • вязкости и • поверхностного натяжения. Если пробы и стандартный раствор обладают разными физическими свойства ми, то в единицу времени образуется разное количество аэрозоля, что в конечном итоге непосредственно определяет число готовых к поглощению атомов. Подоб ная помеха принципиально исключена, когда раствор пробы и стандартный ра створ обладают одинаковыми физическими свойствами. Добиться этого можно путем сильного разбавления пробы. Но подобное достижимо, только если кон центрация интересующего элемента достаточно высока. Если компоненты про бы, воздействующие на ее физические характеристики, известны, можно и стан дартный раствор приготовить с использованием соответствующих компонентов. Если же не удается уравнять относительно друг друга физические свойства проб и стандартного раствора, то устранять источник помех придется с помощью метода добавок. При этом к раствору пробы добавляют стандартный раствор во все возрастающей концентрации и для определения содержания измеряемого эле мента экстраполируют градуировочный график относительно нуля. Добавляемый раствор должен иметь максимально высокую концентрацию, чтобы привносить его в минимальном объеме во избежание изменения физических свойств пробы изза сильного разбавления. Например, смешивание 1 мл добавляемого раствора

260

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

при содержании элемента 1 г/л с 1 литром раствора пробы дает общую концент рацию 1 мг/л (1 миллионная доля). Разумеется, описанный метод добавок является более трудоемким, чем пря мое измерение пробы путем сравнения со стандартным раствором, но это абсо лютно надежный способ устранения физических помех и часто используется в целях контроля правильности проведенного измерения. Впрочем, существует еще один, более элегантный способ устранения физи ческих помех как альтернатива классическому пневматическому распылению: ис пользование гидравлического распылителя высокого давления1. При этом за ос нову берется простой принцип, заключающийся в том, что растворы образуют аэрозоль, проходя под высоким давлением через тонкую форсунку (наподобие впрыска дизельного двигателя). С помощью насоса для создания постоянного объемного расхода жидкости под высоким давлением подлежащее исследованию вещество через специальный вентиль для подачи проб подается к распылитель ному соплу. Благодаря постоянной подаче напорного насоса поток проходящих через пламя проб остается неизменным. К достоинствам этого способа можно от нести также устойчивость базовой линии, поскольку раствор непрерывно подво дится к пламени, что исключает «скачки» линии при смене пробы. Кроме того, здесь возможна независимая оптимизация характера пламени и процесса распы ления, ибо никакого распылительного газа не требуется.

9.7.3. Ионизационные помехи Многие металлы, особенно в горячем пламени, более или менее сильно ионизи руются. Это касается, в частности, щелочных и щелочноземельных металлов, у которых электронные переходы наблюдаются уже в видимой области спектра (ок рашивание пламени). Тогда при относительно малых разностях энергий уже про исходит заметное термическое возбуждение атомов. Так как ионизированные ато мы имеют измененную электронную оболочку и, следовательно, абсолютно осо бый спектр, то они не поддаются определению посредством атомноабсорбцион ной спектроскопии по обычно применяемым резонансным линиям. Следовательно, ионизация проявляется, как и все прочие помехи, в воздействии на общую чис ленность атомов в основном состоянии, предлагаемых для поглощения на едини цу объема. Для устранения ионизационных помех существует два принципиально воз можных варианта. Вопервых, можно использовать для определения элемента пламя более низкой температуры. Это допустимо, например, в случае щелочных металлов, которые частью достаточно ионизированы в пламени смеси воздуха/ ацетилена (Na около 20%, Cs около 85%). А в несколько более холодном пламени воздуха/водорода они, напротив, практически уже не ионизированы. Второй способ устранения ионизационных помех состоит в создании боль шого избытка электронов в пламени. На практике это достигается просто за счет 1

Серийная аппаратура атомноабсорбционного анализа не комплектуется гидравличес кими распылителями высокого давления. – Прим. ред.

9.7. Помехи

261

того, что к раствору пробы и к стандартному раствору добавляется в избытке дру гой, особенно легко ионизируемый элемент (чаще всего калий либо цезий), кото рый активно ионизируется в пламени. Высокая концентрация образующихся при этом электронов на основе закона действия масс практически полностью подав ляет ионизацию определяемого элемента.

9.7.4. Спектральные помехи Выше уже достаточно подробно говорилось о спектральных помехах. Спектраль ные помехи в атомноабсорбционной спектроскопии практически невозможны изза системы переменного света, при которой эмиссионный свет модулирован от лампы с полым катодом, а усилитель настроен на эту частоту модуляции. Но если используются многоэлементные лампы с набором неподходящих элемен тов, то есть когда в пределах рассматриваемой спектральной ширины полосы, наряду с резонансной линией интересующего элемента, на детектор попадает еще одна резонансная линия другого элемента, то селективность и элементная специ фичность атомноабсорбционной спектроскопии здесь уже не работают1.

9.7.5. Метод добавок Во избежание помех представляется целесообразным использовать для аналити ческого определения уже упоминаемый выше метод добавок. Он, конечно, несколь ко сложнее простого анализа, при котором осуществляется градуировка прибора с использованием стандартов, после чего переходят к последовательной обработке проб. При этом стандарты содержат концентрации элементов того же порядка ве личины, что и ожидаемые концентрации в пробах. Для приготовления стандартов высокой чистоты здесь используется дистиллированная вода, в то время как про бы, наряду с исследуемым веществом, обычно представлены в сложной матрице. В случае незнакомой матрицы с неизвестными физическими свойствами при бегают к способу, при котором определению подлежит увеличение абсорбции в результате добавок к пробе определенного количества исследуемого элемента. При этом в качестве добавки следует использовать по возможности сильно концент рированные растворы – во избежание влияния на физические и химические свой ства пробы, возможного при сильном разбавлении. Если концентрация анализируемого вещества настолько велика, что его мож но разбавить для целей определения, то рекомендуется разбавлять все растворы одинаковым объемом, равно как и исходную пробу – равным количеством воды. С этой целью берутся три (или более) аликвоты пробы с добавками стандартного раствора одинакового объема, первый из которых вообще не содержит интересу ющего элемента, второй по своей концентрации примерно соответствует ожида емому содержанию этого элемента, а третий содержит его в двойном объеме. Если теперь нанести измеренные значения абсорбции относительно значений добав ленной концентрации, то получим градуировочный график для интересующего элемента при данных физических условиях. Содержание в неизвестной пробе по 1

Возможны и другие типы спектральных помех. – Прим. ред.

262

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Проба

Проба + 1 м. д.

Проба + 2 м. д.

Проба + 3 м. д.

Абсорбция

Концентрация пробы (1,4 м. д.)

Концентрация, м. д.

Рис. 9.17. Метод добавок (м. д. – миллионные доли)

лучают путем экстраполяции градуировочного графика относительно нуля, как это показано на рис. 9.17.

9.8. Фоновая абсорбция Фоновая абсорбция, в отличие от описанных выше помех, связана не с измене нием числа атомов в основном состоянии, а с дополнительным ослаблением из лучения I0 в результате так называемых неселективных светопотерь. Поэтому из меренное уменьшение интенсивности света оказывается выше ослабления излу чения, вызванного чисто атомной абсорбцией. В итоге индицируется слишком высокая концентрация определяемого элемента. При измерениях реальных проб подлежащий определению элемент нередко находится рядом с избыточным объемом матрицы. Если, например, требуется определить в морской воде наличие свинца в единицах миллионных долей, то придется столкнуться с тем, что каждая его частица окружена 10 миллионами ча стиц соли. При измерении меньших концентраций интересующего элемента в присутствии избыточного объема сопутствующих веществ может так случиться,

Рассеяние света частицами

Молекулярная абсорбция

К детектору

Рис. 9.18. Потери света на рассеяние и молекулярную абсорбцию

9.8. Фоновая абсорбция

263

что в широком масштабе атомизируется именно интересующий элемент, а не ос новной компонент, который может пребывать еще в форме недиссоциированных молекул либо даже твердых частиц. Оба варианта чреваты потерей интенсивнос ти излучения. Молекулы демонстрируют широкополосное поглощение света – значит, узкие линии спектра испускания лампы с полым катодом отчетливо осла бевают, в связи с чем лампа теряет свою селективность. На достаточно крупных частицах или агломератах свет рассеивается, то есть отклоняется из хода лучей в направлении детектора (рис. 9.18). Эти световые потери подлежат регистрации с помощью измерительной тех ники с соответствующей обязательной компенсацией. Для устранения подобно го неселективного поглощения света разработаны специальные методы компен сации фона. Выполняемое для этой цели измерение проходит в два этапа. • В ходе одного измерения регистрируется полное поглощение, то есть атом ная абсорбция и фон. • Другое измерение служит для определения неселективного фона. • Измеренный фон электронным способом вычитается из полного поглоще ния, что дает в итоге скорректированную атомную абсорбцию. На первых порах атомноабсорбционные спектрометры не предусматривали фоновой коррекции, поскольку уменьшение интенсивности излучения в резуль тате рассеяния частицами оценивалось как незначительное. И только со време нем была осознана необходимость коррекции неселективных потерь излучения, причем фоновые сигналы при методе графитовой трубчатой печи проявлялись гораздо отчетливее, чем при пламенной технике [9.31]. Многие проблемы с ис пользованием пламенной атомноабсорбционной спектроскопии вообще не тре буют коррекции фона, чего не скажешь о большинстве областей применения с графитовой трубкой, где такая коррекция абсолютно необходима [9.32]. Было за мечено, что фоновая абсорбция много сильнее в ультрафиолетовой, чем в види мой области спектра, что объясняется рэлеевским рассеянием, которое резко со кращается с увеличением длины волны. Идеальным способом компенсации фона представляется ситуация, когда спек тральный фон в поглощающей ячейке (в пламени или графитовой трубке) ком пенсируется в одном и том же месте, в одно и то же время и точно с такой же длиной волны. Но столь идеального состояния до сих пор достигнуть не удалось. Коррекция фона с применением дейтериевой лампы есть самый старый спо соб, который все еще находит применение в большинстве спектрометров. По скольку фоновое и полное поглощение по определению не могут измеряться одновременно, то требуется достижение высоких частот модуляции для коррек ции неселективного поглощения быстрых сигналов графитовой трубки. Типич ными для этой цели считаются частоты от 150 до 200 с–1. Эффективность кор ректирующих систем с помощью модулирующих частот < 100 с–1 имеет свои ог раничения, так как быстро нарастающие сигналы не поддаются точному рас познаванию [9.33]. Дейтериевые компенсаторы уже не отвечали высоким требованиям к коррек ции фона при методе графитовой трубчатой печи, так что пришлось заняться разра

264

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

боткой новых систем. Так, можно, пользуясь только лампой с полым катодом, проводить измерения как атомных, так и фоновых абсорбций. Необходимое для этого кратковременное изменение эмиссионной характеристики лампы достига ется, вопервых, на основе эффекта Зеемана и, вовторых, по принципу Смита – Хифти [9.34]. Благодаря этому удается регистрировать фон очень быстро и гораз до ближе к профилю поглощения, чем это возможно с помощью излучателя с не прерывным спектром. Быстрая коррекция фона принципиально необходима в технике с графито вой трубкой, но важна также, хотя и не до такой степени, в пламенной атомно абсорбционной спектроскопии. При малых длинах волн шумы пламени вызы вают наибольшее ограничение предела обнаружения и точности при малых кон центрациях [9.35]. Если путем коррекции фона удается устранить эти шумы, то значительно улучшается определение элементов, линии которых приходятся на коротковолновую УФобласть спектра. К таковым относятся: мышьяк, селен, цинк и свинец.

9.8.1. Компенсация с излучателями непрерывного света Использование излучателей с непрерывным спектром для измерения фона было предложено еще в 1965 г. [9.36] и основано на следующем. Поскольку большинство линий атомноабсорбционного спектра наблюдает ся в УФобласти, то в качестве источника излучения с непрерывным распределе нием энергии используется дейтериевая лампа. При этом для целей коррекции фона имеют значение различия между абсорбционными характеристиками ато мов, с одной стороны, и молекул или, соответственно, крупных частиц, с другой стороны. • Атомы показывают очень узкополосное поглощение в области примерно 0,003 нм. • Неселективные потери света, напротив, едва изменяются в широкополос ной зоне на протяжении многих нанометров. Для коррекции фона широкополосный свет дейтериевой лампы и лампы с полым катодом в быстром чередовании направляется через поглощающую ячей ку. При этом свет обеих ламп одинаковым образом ослабляется фоновой абсорб цией, а интенсивности их излучения выравниваются электронным способом. Но в результате атомной абсорбции понижается исключительно интенсивность узкой линии эмиссионного спектра лампы с полым катодом, а от интенсивности широкополосной дейтериевой лампы, ограниченной только оптической щелью спектрометра, на абсорбцию приходится лишь на десятичные порядки меньшая узкая область соответственно линии атомной абсорбции. Таким образом, потеря интенсивности излучателя с непрерывным распределением энергии для атомной абсорбции пренебрежимо мала. Это означает, что светом лампы с полым катодом измеряется сумма атомной абсорбции и фона, в то время как свет дейтериевой лампы измеряет только фон. Разность этих двух интенсивностей дает тогда иско мую атомную абсорбцию.

9.8. Фоновая абсорбция Линейчатый спектр лампы с полым катодом

265

Непрерывный спектр дейтериевой лампы

Щель шириной 0,2 нм

Рис. 9.19. Прохождение света лампы с полым катодом и дейтериевой лампы через оптическую щель

Монохроматор выделяет из линейчатого спектра лампы с полым катодом ре зонансную линию с полушириной порядка 0,002 нм. Из сплошного спектра дей териевой лампы выделяется участок, соответствующий установленной спектраль ной ширине щели (рис. 9.19). Интенсивности обоих источников излучения в пре делах рассматриваемой области спектра уравниваются. В случае нормального линейчатого поглощения интересующим элементом ин тенсивность лампы с полым катодом в соответствии с концентрацией этого эле мента ослабевает, в то время как интенсивность дейтериевой лампы в первом при ближении не понижается. Но неселективное широкополосное фоновое поглоще ние в равной мере уменьшает интенсивность обоих источников излучения. До полнительно возникающее теперь линейчатое поглощение вновь ослабляет интенсивность лампы с полым катодом соответственно концентрации интересу ющего элемента, в то время как интенсивность излучателя с непрерывным спек тром в первом приближении далее не уменьшается (рис. 9.20). В принципе дейтериевая лампа обеспечивает отличную коррекцию фона. При наличии усовершенствованной оптики отличного качества сегодня возможна кор рекция до двух единиц абсорбции, хотя полученный эффект, повторяем, сильно колеблется в зависимости от используемой оптической системы. В заключение

Атомная абсорбция

Фоновая абсорбция

Атомная абсорбция

Рис. 9.20. Принцип действия дейтериевого компенсатора фона

266

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

все же следует указать на некоторые недостатки способа компенсации фона с при менением излучателя непрерывного света. • Возможны проблемы с настройкой. Геометрия светового луча дейтериевой лампы отличается от таковой у лампы с полым катодом, причем излучения обеих ламп могут проходить разными путями. Точная оптическая юстиров ка конгруэнтного прохождения лучей обеих ламп весьма затруднительна. Это ставит определенный предел корректируемой абсорбции. • Потеря света. Использование дейтериевой лампы требует наличия свето делителя, что влечет за собой 50%ное уменьшение интенсивности излуче ния. При этом шумы базовой линии практически удваивается и, соответ ственно, ухудшается предел обнаружения. • Интервал длин волн, применимый для измерения фона, ограничен у дей териевой лампы уровнем 190–350 нм. Выше 350 нм приходится устанавли вать дополнительную галогенную лампу. • Фон должен быть непрерывным по всей ширине оптической щели, он не может быть структурирован. Это выполняется для большей части молеку лярного поглощения. Разные молекулярные спектры, например для NO2, PO или SO2, имеют вращательные тонкие структуры. Это не сплошные спек тры, поэтому они не могут быть правильно скорректированы с помощью источников излучения с непрерывным распределением энергии. В неоднородности распределения интенсивности заключается существенное ограничение способа компенсации на основе излучателей с непрерывным спект ром. При этом вообще не регистрируется поглощение с сильно структурирован ным фоном. Здесь более подходят методы, при которых измеряемый луч для ре гистрации самого фона тоже обладает линейчатым характером, и тогда фон мо жет измеряться максимально близко к атомной линии.

9.8.2. Коррекция фона по Зееману В 70е годы был предложен новый интересный метод фоновой коррекции, осно ванный на эффекте Зеемана с расщеплением спектральных линий во внешнем магнитном поле [9.37]. Если говорить точнее, здесь не происходит расщепления спектральных линий как такового, но оказывается такое воздействие на атомы в магнитном поле, что они испускают уже расщепленные линии. Это явление было открыто в 1896 г. голландским физиком П. Зееманом, за что он, вместе с Г.А. Ло ренцем, получил в 1902 г. Нобелевскую премию. В 1969 г. способ измерения фона на основе эффекта Зеемана был запатентован фирмой Цейс, но спектрометров в соответствующем исполнении на рынке не появилось. И только в 1975 г. фирмой Хитачи был впервые предложен коммерческий зеемановский атомноабсорбци онный спектрометр [9.38].

9.8.2.1. Эффект Зеемана Как правило, электронные состояния с идентичными главными и побочными кван товыми числами энергетически абсолютно равнозначны: они «вырождены» и раз личаются только своей ориентацией в пространстве. Но под действием внешнего

9.8. Фоновая абсорбция

267

Атомная линия без магнитного поля

Расщепление линии в магнитном поле

Рис. 9.21. Эффект Зеемана

магнитного поля это «вырождение» прекращается. В силу разной ориентации от дельных орбиталей относительно оси магнитного поля имеет место разность энер гий. Таким образом, если поместить источник спектральных линий в сильное маг нитное поле, каждая из них расщепляется на несколько составляющих (рис. 9.21). В наипростейшем случае это будет расщепление на три составляющие, одна из ко торых находится на той же длине волны, что и начальная резонансная линия, но является менее интенсивной. Эта центральная линия, в силу «исторических» при чин, обозначается как πсоставляющая. Две других линии, σсоставляющие, сдви нуты в сторону большей и, соответственно, меньшей длины волны. Степень такого смещения пропорциональна напряженности магнитного поля. С этими двумя побочными линиями (зеемановскими составляющими), которые уже не подлежат специфичной абсорбции, можно теперь проводить измерение фона. В этом заключается основная идея зеемановской атомноабсорбционной спектрометрии [9.39]. Благодаря применению только одной лампы фоновая компенсация возмож на точно в том же самом месте и (почти) точно на той же длине волны, но не в то же самое время. Поскольку всегда приходится измерять поочередно просто фон и фон с атомной абсорбцией, то частоту переключения необходимо удерживать на уровне, максимально допустимом используемым оборудованием, чтобы можно было хотя бы примерно в одно и то же время регистрировать стремительные из менения в поглощающей ячейке. Чтобы σсоставляющие сдвинуть настолько, чтобы они оказались за преде лами абсорбционного профиля поглощающих атомов, нужны очень высокие на пряженности магнитного поля. Это требует принятия специальных мер предос торожности. Например, с таким оборудованием нельзя работать людям с вши тым кардиостимулятором, а всем прочим на время работы надо снимать наруч ные часы, есть и другие требования. Правда, область расщепления здесь очень мала (10–3 нм!), так что неправильное измерение по причине находящейся в зоне расщепления молекулярной линии мало вероятно, но все же полностью исклю чить его нельзя. Расщепление на три составляющие достигается только при «нормальном» эф фекте Зеемана. Он имеет место для всех элементов второй главной или побочной групп периодической системы, как то: B, Be, Mg, Cd, Pb или Zn. Гораздо чаще при ходится наблюдать аномальный эффект Зеемана, порой с гораздо более сложным расщеплением на несколько π и σсоставляющих (рис. 9.22). Однако πсоставля ющие всегда располагаются значительно ближе к исходной линии, чем σсоставля

268

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Нормальный эффект Зеемана

Аномальный эффект Зеемана

Рис. 9.22. Нормальный и аномальный эффекты Зеемана

ющие, в результате чего специфичное атомное поглощение всегда сильнее сказы вается на πсоставляющих, чем на σсоставляющих. Значит, и аномальный эффект Зеемана тоже полезен для атомноабсорбционной спектроскопии. Правда, в неко торых случаях он демонстрирует существенно меньшую чувствительность, чем при нормальной атомноабсорбционной спектроскопии. Отмечается, что подобное ухудшение несколько меньше при модулированном магнитном поле.

9.8.2.2. Разные системы атомноабсорбционной спектрометрии с использованием эффекта Зеемана Эффект Зеемана наступает только при условии, что магнитное поле прикладыва ется там, где имеются атомы. Следовательно, магнит должен быть установлен либо на источнике излучения, либо на атомизаторе. Когда магнитное поле воздейству ет на источник излучения и происходит расщепление линий спектра излучения, говорят о прямом эффекте Зеемана. Если же магнитное поле воздействует на ато мы в атомизаторе и расщепляется профиль поглощения, можно говорить об об ратном эффекте Зеемана. Вторым отличительным признаком является направление, в котором действует магнитное поле. В зависимости от расположения магнитов, можно наблюдать разные формы проявления эффекта Зеемана. Если магнитное поле ориентирова но поперек оптической оси, то речь идет об атомноабсорбционной спектромет рии при поперечном эффекте Зеемана (transversal); если же магнитное поле рас полагается в направлении излучения, то мы имеем дело с атомноабсорбционной спектрометрией при продольном эффекте Зеемана (longitudinal). И наконец, независимо от положения магнитов, магнитное поле может моду лироваться постоянным (DC – Direct Current) либо переменным (AC – Alternating Current) током. У этих разных систем принципиально различается и действие эф фекта Зеемана [9.40].

9.8. Фоновая абсорбция

269

Итак, с точки зрения измерительной техники можно разными способами ис пользовать эффект Зеемана: • • • • • •

на линейчатом излучателе (прямой эффект Зеемана), на атомизаторе (обратный эффект Зеемана), с постоянным магнитным полем (DC), с переменным магнитным полем (AC), с поперечным магнитным полем (поперечный эффект Зеемана), с продольным магнитным полем (продольный эффект Зеемана).

Теоретически здесь возможно восемь разных комбинаций, но на практике уда ется реализовать только четыре, поскольку атомноабсорбционная спектрометрия при прямом эффекте Зеемана не может сочетаться с техникой на основе перемен ного тока ввиду отсутствия лампы, обеспечивающей устойчивое горение в пере менном магнитном поле. Кроме того, версия при продольном эффекте Зеемана ввиду отсутствия πсоставляющих возможна только с магнитами переменного тока. Изза серьезных технических трудностей на рынок до сих пор не поступило ни одно го продольного зеемановского атомноабсорбционного спектрометра. Между тем такой спектральный прибор был бы весьма полезен с учетом того преимущества, что он позволяет обходиться без поляризатора для разделения зеемановских составляю щих, так как средняя составляющая здесь отсутствует. При измерении полного по глощения для этого должно отключаться (модулироваться) магнитное поле. С учетом всего вышесказанного в настоящее время на рынке представлены три разные коммерческие версии [9.40]: • прямопоперечный зеемановский атомноабсорбционный спектрометр с постоянным полем1, • обратнопоперечный зеемановский атомноабсорбционный спектрометр с постоянным полем, • обратнопоперечный зеемановский атомноабсорбционный спектрометр с переменным полем. ÀÒÎÌÍÎ-ÀÁÑÎÐÁÖÈÎÍÍÀß ÑÏÅÊÒÐÎÌÅÒÐÈß Ñ ÏÐßÌÛÌ ÏÎÏÅÐÅ×ÍÛÌ ÝÔÔÅÊÒÎÌ ÇÅÅÌÀÍÀ  ÏÎÑÒÎßÍÍÎÌ ÏÎËÅ2

В случае атомноабсорбционной спектрометрии при прямом поперечном эффекте Зеемана с постоянным полем лампа с полым катодом находится в магнитах, ли нии спектра излучения расщепляются (рис. 9.23). Поскольку здесь магнит нахо дится на лампе, такая методика годится для любого атомизатора, то есть как для графитовой трубки, так и для пламенной либо гидридной систем. Правда, тогда приходится использовать особые лампы с полым катодом, поскольку обычные лампы недостаточно долго горят в магнитном поле, а стабильность и интенсив ность излучения подвержены сильным колебаниям, обусловленным магнитным полем. Поэтому для применения прямого эффекта Зеемана потребуется в каче 1 2

В коммерческих приборах такая схема сейчас не применяется. – Прим. ред.

Широко применяются коммерческие атомноабсорбционные спектрометры с обратно продольным эффектом Зеемана и переменным магнитным полем. – Прим. ред.

270

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Фон Профиль поглощения элемента Линии спектра излучения Измерение фона и атомного поглощения

Поглощающая ячейка Вращающийся поляризатор Лампа в магнитном поле

Измерение фона

Рис. 9.23. Принцип действия атомноабсорбционной спектрометрии при прямом поперечном эффекте Зеемана с постоянным полем

стве специального источника излучения лампа на парах металлов (электродная низкочастотная лампа) в виде линейчатого излучателя [9.24]. При атомноабсорбционной спектрометрии с прямым эффектом Зеемана из мерение ведется по принципу двух длин волн. С помощью πсоставляющей изме ряется атомное поглощение плюс фон, а с помощью сдвинутых σсоставляющих – только фон. Измерение фона происходит, следовательно, «рядом с линией спек тра поглощения». Свет разных зеемановских составляющих может разделяться в пространстве: πсоставляющая поляризуется в плоскости, параллельной магнит ному полю, а σсоставляющие поляризованы в поперечной плоскости. Для рас щепления π и σсоставляющих необходим вращающийся поляризационный све тофильтр между источником света и камерой образца, благодаря чему попере менно пропускается параллельно и ортогонально поляризованный свет. Когда параллельная составляющая света проводится через оптическую систе му, она поглощается центральной, несдвинутой πсоставляющей аналитической линии (то есть исследуемый элемент и фон поглощают свет). В следующем чет вертьповороте поляризатора пропускается только ортогонально поляризованный свет σсоставляющих. Этот свет поглощается не аналитической линией, а только фоном. Разность между σсигналом и πсигналом дает скорректированный сиг нал. При этом поляризатор в силу технических и физических причин (апертура, степень поляризации, коэффициент пропускания) – вызывает ухудшение харак теристик зеемановской атомноабсорбционной спектрометрии. Помимо прочего, при прямом методе зеемановской атомноабсорбционной спектрометрии, где осуществляется измерение двух разных линий с разными плос костями поляризации, имеет место разница между интенсивностями π и σсо ставляющих, вызываемая разным самопоглощением в лампе с полым катодом. По физическим причинам при возрастающем самопоглощении πсоставляющая показывает связанное с этим большее ослабление, чем σсоставляющая.

9.8. Фоновая абсорбция

271

ÀÒÎÌÍÎ-ÀÁÑÎÐÁÖÈÎÍÍÀß ÑÏÅÊÒÐÎÌÅÒÐÈß Ñ ÎÁÐÀÒÍÛÌ ÏÎÏÅÐÅ×ÍÛÌ ÝÔÔÅÊÒÎÌ ÇÅÅÌÀÍÀ  ÏÎÑÒÎßÍÍÎÌ ÏÎËÅ

В случае атомноабсорбционной спектрометрии при обратном поперечном эффекте Зеемана с постоянным полем расщепляется не линия спектра излучения, а про филь линий поглощения атомов. Магнитное поле здесь приложено к атомизатору (рис. 9.24). Так как при этом могут использоваться обычные лампы с полым като дом, эта техника предпочитается большинством приборостроителей. В результате приложения магнитного поля к атомизатору происходит расщепление профиля поглощения. Вокруг печи с графитовой трубкой находится сильный объемный магнит. При потребности в магнитном поле большой напряженности и необхо димости хорошей термоизоляции между атомизатором и магнитом размеры ато мизирующей ячейки сильно ограничены. Для пламенной методики дополнительно предлагаются специальные постоянные магниты. При обратном эффекте Зеемана с атомизатором в магнитном поле в принци пе действуют те же условия, что и при прямом эффекте, хотя и существует одно существенное отличие. В то время как при прямом эффекте Зеемана линии спек тра излучения расщеплены на несколько составляющих, при обратном эффекте источник света посылает свою нормальную резонансную линию. Готовность ато мов пробы к поглощению обусловливается магнитным полем. Профиль погло щения расщеплен на параллельно поляризованную πсоставляющую и ортого нально поляризованные σсоставляющие. Вообще, атомное поглощение может осуществляться на всех расщепленных линиях атомов, но измерение возможно только там, где имеется первичное излучение источника, то есть на резонансной линии. Линия спектра излучения лампы не расщеплена, поэтому в поглощающей ячейке на атомное поглощение способна только πсоставляющая. Фон Профиль поглощения элемента Линия спектра излучения

Параллельно поляризованная πсоставляющая Измерение фона и атомного поглощения

Лампа Вращающийся Ортогонально поляризатор Поглощающая поляризованная Измерение фона ячейка πсоставляющая в магнитном поле

Рис. 9.24. Принцип действия атомноабсорбционной спектрометрии при обратном поперечном эффекте Зеемана с постоянным полем

272

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Вращающийся поляризатор в ходе лучей служит для различения разных плос костей поляризации. В той фазе, где поляризованный свет пропускается парал лельно магнитному полю, πсоставляющая ослабляется как в результате специ фичного атомного поглощения, так и под действием фона. В следующей фазе, где пропускается только ортогонально поляризованный свет, измерить атомное по глощение πсоставляющей не удается, а можно измерить только неспецифичное поглощение на резонансной линии. В результате образования разности вновь формируется скорректированный сигнал. Это означает, что фоновое поглощение всегда измеряется и корректируется точно на резонансной линии определяемого элемента. Таким образом, речь идет об идеальном двухлучевом принципе, когда оба луча не только имеют одинако вую длину волны, но даже обладают идентичным профилем и, конечно, оба про ходят через пробу с абсолютно одинаковым управлением пучком. Следовательно, фон регистрируется прямо на линии, а не рядом с ней. Благодаря этому данная система обеспечивает безупречное измерение даже тогда, когда проба имеет фон тонкой структуры [9.34]. ÀÒÎÌÍÎ-ÀÁÑÎÐÁÖÈÎÍÍÀß ÑÏÅÊÒÐÎÌÅÒÐÈß Ñ ÎÁÐÀÒÍÛÌ ÏÎÏÅÐÅ×ÍÛÌ ÝÔÔÅÊÒÎÌ ÇÅÅÌÀÍÀ  ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÌ ÏÎËÅ

Из всех технических исполнений принцип атомноабсорбционной спектромет рии при обратном поперечном эффекте Зеемана с переменным полем считается наиболее благоприятным и используется в большинстве зеемановских атомно абсорбционных спектрометров, правда, только в сочетании с графитовой труб кой. При коррекции Зеемана с модулированным магнитным полем измеряется полное поглощение с отключенным магнитным полем и фон с включенным маг нитным полем (рис. 9.25). Размещение магнитов переменного тока на графито вой трубке вызывает пульсацию магнитного поля, то есть его попеременное вклю чение и выключение через очень короткие интервалы времени. Поляризационное устройство может быть установлено неподвижно и не дол жно вращаться, как в случае техники с постоянным полем. При этом поляризатор размещен с таким расчетом, чтобы находиться перпендикулярно плоскости по ляризации πсоставляющей. Строго говоря, речь здесь идет не о поляризаторе в полном смысле этого слова, поскольку поляризация облака атомарного пара осу ществляется не в печи с графитовой трубкой, а вокруг анализатора, задачей кото рого является лишь пропускание ортогонально поляризованного света. При отключенном магнитном поле не происходит ни расщепления профиля поглощения, ни поляризации. Линия спектра излучения ослабляется на сумму атомного и фонового поглощений. При включенном магнитном поле осуществ ляется расщепление профиля поглощения на зеемановские составляющие. Так как линия спектра излучения источника света через поляризатор в области пробы состоит исключительно из вертикально ориентированного излучения, то ослаб ления от горизонтально поляризованной πсоставляющей элементноспецифич ного профиля поглощения не происходит. Однако неселективное поглощение фо ном остается вне влияния эффекта Зеемана, и может определенным образом ос лабить линию спектра излучения. Значит, при включенном магнитном поле ли

9.8. Фоновая абсорбция

273

Фон Профиль поглощения элемента Линия спектра излучения

Магнитное поле отключено Измерение фона и атомного поглощения

Лампа Неподвижно установленный Магнитное поляризатор Поглощающая поле включено ячейка в магнитном поле

Измерение фона

Рис. 9.25. Принцип действия атомноабсорбционной спектрометрии при обратном поперечном эффекте Зеемана с переменным полем

ния спектра излучения ослабляется только фоном. Образование разности изме ряемых величин с включенным и выключенным магнитными полями дает резуль тат измерения при скорректированном фоне. Использование импульсного магнитного поля положительно сказывается и на всех элементах с аномальным эффектом Зеемана при наличии двух или более πсоставляющих. Магнитные поля очень большой напряженности, действую щие на выделение σсоставляющих из профиля поглощения, расщепляют и раз ные πсоставляющие. Последние, по мере усиления напряженности поля, посте пенно удаляются из профиля поглощения, что приводит в конце концов к пони жению чувствительности методики с постоянным полем. При импульсном магнитном поле такой проблемы не возникает. С отключен ным магнитным полем линии не расщеплены, а при его включении πсоставляющие совершенно не нужны для целей измерения. Задача магнитного поля состоит здесь только в том, чтобы достаточно далеко вытеснить σсоставляющие из профиля по глощения, так чтобы они более не могли перекрываться резонансными линиями [9.45].

9.8.2.3. Пределы зеемановской коррекции фона Работоспособный зеемановский спектрометр по качеству компенсации в любом случае превосходит излучатель с непрерывным распределением энергии [9.46]. Атом ноабсорбционная спектрометрия с использованием эффекта Зеемана вполне го дится и для проведения следовых анализов на твердых веществах или жидкостях без специальной химической подготовки проб, причем с точки зрения быстроты и правильности этот способ зарекомендовал себя лучше, чем традиционная атомно абсорбционная спектроскопия с переводом проб в растворимую форму [9.47]. Предел обнаружения есть функция чувствительности и шумов. При обычной атомноабсорбционной спектроскопии при включении излучателя для коррекции

274

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

фона уровень шумов в результате суммирования шумов из двух источников резко повышается. Это приводит к ухудшению пределов обнаружения, чего не бывает в случае атомноабсорбционной спектроскопии при эффекте Зеемана с использова нием только одного источника света. Среди преимуществ методики на основе эф фекта Зеемана по сравнению с коррекцией фона излучателем с непрерывным све том можно назвать следующие. • Поскольку из поглощений электронов π и σсвязей электронным спосо бом формируется соответствующее отношение, то вызванные лампой или оптической системой изменения интенсивностей никак не сказываются на основной линии. Таким образом, системы зеемановской атомноабсорб ционной спектрометрии есть идеальные двухлучевые методы без дополни тельной оптики. • Зеемановская система фоновой коррекции часто остается вне влияния структурированного фона, поскольку такая коррекция осуществляется по чти точно (при постоянном поле) или абсолютно точно (при переменном поле) на той длине волны, на которой и определяется элемент. • Спектральные помехи могут корректироваться, когда две мешающие ли нии удалены друг от друга на расстояние более чем 0,02 нм. (При прямом перекрытии это, конечно, не работает.) • При зеемановской атомноабсорбционной спектрометрии совсем не обя зательна взаимная настройка двух разных источника излучения. Никаких проблем с юстировкой различных геометрий или отличающихся дрейфо вых характеристик здесь не бывает. И все же метод атомноабсорбционной спектрометрии с использованием эф фекта Зеемана не свободен от системнообусловленных недостатков. Безупреч ная компенсация фона при эффекте Зеемана возможна лишь при условии полно го расщепления σ и πсоставляющих. Однако такое расщепление достижимо лишь с нормальным эффектом Зеемана. Изза частью весьма сложной структуры рас щепления при аномальным эффекте Зеемана получить полное расщепление не удается порой даже в магнитном поле очень большой напряженности. С расщеп лением на несколько πсоставляющих отмечается практическое уширение про филей излучения и, соответственно, поглощения. Это действует примерно так же, как если бы значительная доля посторонней засветки попала в монохроматор. Результатом этого становится потеря чувствительности, составляющая для большинства элементов от 10 до 20%. Системы с переменным полем в этом смыс ле более благоприятны, чем системы с постоянным полем [9.48]. Работающие на переменном токе приборы при необходимости оснащаются электромагнитом, чем достигается возможность оптимизации магнитного поля для каждого анализа, например поле может варьироваться в диапазоне от 0,3 до 1,2 тесла. При этом магнитное поле можно установить таким образом, что, с одной стороны, σсо ставляющие достаточно далеко уводятся из профиля поглощения, но, с другой стороны, πсоставляющие не претерпевают чрезмерного растягивания. При по стоянном же токе приборы функционируют с фиксированным постоянным маг нитом, то есть здесь не существует простой возможности для изменения магнит

9.8. Фоновая абсорбция

275

Абсорбция πсоставляющая π–σсоставляющая

σсоставляющая

Концентрация

Рис. 9.26. Эффект переката

ного поля. Значит, приборостроителю приходится искать некое компромиссное решение, приемлемое для всех элементов. Перекрытие π и σсоставляющих объясняет и более сильное искривление гра дуировочных графиков. При высоких поглощениях они оказываются даже двусмыс ленными, когда две очень разные концентрации могут привести к одной и той же величине абсорбции. В силу показанного на рис. 9.26 эффекта переката (Rollover Effekt) σсоставляющие изза неполного отделения тоже демонстрируют малоспеци фичное поглощение. При высоких концентрациях, то есть высоких абсорбциях, πсоставляющая достигает области насыщения, в то время как значительно меньшая абсорбция σсоставляющих продолжает расти. Разность абсорбций π и σсостав ляющих как показатель атомного поглощения при увеличивающейся концентра ции вновь идет на убыль – с перекатом градуировочного графика [9.49]. В результате повышения напряженности магнитного поля при использовании сильных электромагнитов точка переката может быть сдвинута в сторону более зна чительных концентраций. Но в градуировочном графике при эффекте Зеемана перед этой точкой находится, как и в случае нормального градуировочного графика, силь но искривленная зона, которая при использовании современных спектрометров до определенного предела еще поддается количественному определению с помощью со ответствующей коррекции графика. Более благоприятным представляется все же раз бавление пробы, чтобы получить возможность работать в линейной области. В графитовой трубчатой печи при контроле процесса атомизации со слеже нием во времени эффект переката отчетливо проявляется на экране дисплея об разованием двойного пика. Сначала в результате формирования атомарного об лака возникает максимальный зеемановский сигнал, который затем, по мере по вышения концентрации атомов, вновь спадает изза эффекта переката, а при рас сеянии атомарного облака опять нарастает, пока не спадет окончательно.

9.8.3. Система Смита – Хифти Эта совершенно новая концепция коррекции фона была впервые описана в 1982 г. [9.50]. Основной принцип здесь поразительно прост: уже более 20 лет было известно, что, когда высокий ламповый ток течет через лампу с полым катодом, линия спек тра излучения уширяется, а сигнал поглощения, формируемый, например, эле

276

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Интенсивность

Атомарное облако

Высокий ламповый ток

Низкий ламповый ток

Рис. 9.27. Линии спектра излучения лампы с полым катодом как функция лампо вого тока

ментами в растворе пробы, сильно понижается (рис. 9.27). Такое явление обозна чают как самообращение, поскольку невозбужденные атомы в лампе поглощают посланное излучение на атомных линиях. Самообращение всегда рассматрива лось как феномен, которого следует избегать. Смит и Хифти реализовали идею использования эффекта уширения линий в целях коррекции фона. Лампа сначала работает на низком ламповом токе, при чем ее свет поглощается как определяемым элементом, так и фоном. Затем следу ет очень короткий импульс высокого тока, вызывающий уширение линий. Одна ко центр линии спектра излучения сильно ослаблен изза самообращения. Сле довательно, значительно уменьшено и атомное поглощение при прохождении через пробу, а фон поглощает ту же долю света, что и прежде (рис. 9.28). Фоновая коррекция осуществляется опятьтаки через разность двух полученных сигналов. Такая методика известна также как компенсация фона сильноточными импуль сами тока (high speed self reversal background correctiоn). Преимущества описанной системы заключаются, как и в случае коррекции при эффекте Зеемана, в использовании одногоединственного источника света как для поглощения, так и для измерения фона. Благодаря этому удается корректировать очень высокие фоновые сигналы. Поскольку имеет место всего один источник из лучения, то выполнять настройку светового луча очень легко, причем всегда обес печивается требуемая конгруэнтность. И здесь не возникает потерь света изза дей ствия поляризаторов, не нужна даже установка сильных магнитов. По сравнению с дейтериевой коррекцией фона, система Смита – Хифти имеет тот же недостаток, что и зеемановская система, а именно пониженную чувстви тельность. Самообращение в лампе с полым катодом редко является полным, так что в фазе многоамперного тока тоже можно наблюдать атомное поглощение. В системе Смита – Хифти чувствительность снижена до уровня 10–75%. С учетом этого некоторые пользователи прибегают к дополнительному оснащению атомно

9.9. Аппаратурное оформление процесса

277

Фон Профиль поглощения элемента Линия спектра поглощения

Ток высокого напряжения Измерение фона и атомного поглощения

Лампа

Поглощающая ячейка Ток низкого напряжения Измерение фона

Рис. 9.28. Принцип действия системы Смита – Хифти

абсорбционного спектрометра этой серии дейтериевой системой, особенно для анализов, в которых вообщето возможна коррекция фона с помощью непрерыв ного излучателя, но крайне необходима и важна максимальная чувствительность. На ранней стадии разработки системы Смита – Хифти изучался вопрос о ее влиянии на срок службы лампы. При нормальной эксплуатации лампа иногда выходит из строя, поскольку в ней заканчивается газнаполнитель. Этот газ по степенно поглощается электродами и другими компонентами, пока через лампу не перестает течь ток. Момент исчезновения газанаполнителя наступает пропор ционально произведению среднего тока лампы, умноженного на время: ток боль шой силы за короткое время оказывает такое же действие, как слабый ток за про должительное время. По этой причине в выдаваемых на лампы гарантийных обя зательствах производители в большинстве случаев приводят данные в миллиам перчасах. Средний ток в системе Смита – Хифти примерно равен стандартному току, поэтому соответствующим образом сконструированные лампы с полым ка тодом служат столько же, сколько и при нормальной эксплуатации. В заключение отметим, что рассмотренная система предлагает замечательно про стой способ коррекции фона, обладающий явными преимуществами и совсем нич тожными недостатками1 по сравнению с компенсацией дейтериевой лампой, а по некоторым пунктам превосходящий даже метод, основанный на эффекте Зеемана.

9.9. Аппаратурное оформление процесса Атомноабсорбционные спектрометры первого поколения были сконструированы таким образом, что результаты измерения выводились на самописец либо аналого вую индикацию. При этом концентрации раствора определялись, как правило, на 1

Для способа характерно ослабление чувствительности измерений на 30–75% для разных элементов. Способ применим не для всех определяемых элементов. – Прим. ред.

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

278

основе обычного градуировочного графика. Устройства цифровой индикации, по зволяющие простую коррекцию характеристических кривых, равно как и прямую индикацию величин концентрации, стали следующим шагом в развитии техничес кого оснащения. С вводом микропроцессоров удалось значительно расширить и усовершенствовать обработку сигналов и полученных данных. Все возрастающие требования к воспроизводимости и правильности анализов, стремление к повы шению пропускной способности при исследовании проб способствовали дальней шему техническому прогрессу в этой сфере – от создания механизмов автомати ческой подачи образцов до разработки компьютеризованных приборов с возмож ностью сохранения программ и всей необходимой информации. При этом высоко эффективные атомноабсорбционные спектрометры не обязательно попадали в группу товаров высокой ценовой категории. Аналитическая эффективность, мно гофункциональность и надежность относятся сегодня к качественным признакам спектральных приборов, предлагаемых по вполне доступным ценам [9.51]. Эффективность атомноабсорбционных спектрометров определяется прежде всего пределом обнаружения отдельных элементов. Свойства оптической систе мы, механическая устойчивость, механизм атомизации, способы обработки сиг налов и коррекции фона оказывают свое влияние на воспроизводимость и долго временную стабильность приборов. По сравнению с атомной эмиссией, требова ния к спектральному разрешению атомноабсорбционных спектрометров не столь высоки, поскольку селективность по элементам достигается здесь посредством лампы с полым катодом. Поэтому применение находит даже монохроматор с от носительно большой шириной щели порядка 0,1 нм. Но следует помнить, что в случае атомноабсорбционной спектроскопии приходится регистрировать мель чайшие изменения излучения лампы наряду, нередко с довольно значительным, паразитным излучением. Поэтому вся оптика должна быть максимально свето сильной, а монохроматор – с малым рассеянием. Главной задачей дальнейшего развития является снижение уровня шумов с целью улучшения исходного сигнала. Основные виды шумов таковы: • • • •

шумы фотоумножителя, шумы пламени, шумы концентрации и шумы других компонентов, например ламп с полым катодом и электроники.

Измеренные детектором сигналы далеко не всегда устойчивы. Дробовой шум есть основной шум от компонентов, проявляющийся даже при отсутствии пла мени или пробы. Отношение сигнал/шум пропорционально I , где I есть интен сивность света. Следовательно, оптическая система должна отдавать столько ин тенсивности, насколько это возможно, а это требуется наличия простой оптики. Монохроматор должен обладать хорошим разрешением, чтобы удерживать ми нимальной кривизну градуировочного графика, в противном случае не избежать ухудшения воспроизводимости при повышенных концентрациях. Еще одним источником шумов является пламя, которое, с одной стороны, поглощает излучение лампы с полым катодом и, с другой стороны, само дает из лучение. Этот эффект следует по возможности снижать путем тщательного кон

9.9. Аппаратурное оформление процесса

279

Дейтериевая лампа

Монохроматор Делитель пучка Лампа с полым катодом

Рис. 9.29. Однолучевой атомноабсорбционный спектрометр с дейтериевым ком пенсатором фона

струирования горелки и правильного выбора условий горения пламени. Концен трационные шумы вызываются колебаниями в процессе распыления и представ ляют собой достаточно сложную проблему, особенно при высоких концентраци ях проб. Подобной явление тоже можно минимизировать при грамотной разра ботке используемого распылителя и смесительной камеры. Потребность в простой, светосильной оптической системе легче всего удов летворить с помощью простейшего варианта однолучевого спектрометра. Опти ческое однолучевое устройство в атомноабсорбционной спектроскопии функ ционирует с малым числом оптических компонентов (рис. 9.29). Поэтому потерь света здесь гораздо меньше, чем при традиционном двухлучевом исполнении. Это дает особенно высокое светопропускание, обеспечивающее превосходное отно шение сигнал/шум и наилучшие пределы обнаружения. Комбинированные ис полнения оптической системы гарантируют нечувствительность к термическому дрейфу, так что от термостатизации здесь можно отказаться. У двухлучевого прибора излучение источника света делится вращающимся сек торным зеркалом на измерительный луч через атомизатор и луч сравнения вокруг атомизатора, после чего эти лучи вновь объединяются прерывателем (рис. 9.30). Электроника этой системы рассчитана таким образом, что образуется отношение обоих лучей. Оба они выходят из одного и того же источника света, проходят че рез один и тот же монохроматор, улавливаются одним и тем же детектором и уси ливаются одной и той же электроникой, чем достигается полная компенсация изменений в излучении лампы, в чувствительности детектора или усилении. В первую очередь, именно поэтому стабильность данной системы превосходит стабильность однолучевой системы. Двухлучевые приборы необходимы для регистрации спектров, в которых с дли ной волны изменяется как интенсивность излучения, так и чувствительность мо нохроматора (response). Но полный атомный спектр достаточно редко регистриру ется в рутинной лабораторной аналитике – чаще наблюдается лишь одна атомная

280

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия Монохроматор

Делитель пучка

Прерыватель

Лампа с полым катодом

Рис. 9.30. Двухлучевой атомноабсорбционный спектрометр

линия при одной длине волны. Второй аргумент в пользу двухлучевого принципа заключается в долговременной стабильности, за счет чего якобы компенсируется даже горячее горение лампы после включения. Но ведь такое горение до начала излучения лампы длится всего несколько минут. Кроме того, все приборы оснаще ны переключателем ламп, действующим таким образом, что требуемые лампы вклю чаются и горят, нагреваясь, еще до начала собственно элементного анализа. Современные атомноабсорбционные спектрометры с однолучевой оптичес кой системой по такому показателю, как дрейфоустойчивость, приближаются к двухлучевым системам, но имеют техническое преимущество более высокого све топропускания и позволяют довольствоваться простым и компактным конструк тивным исполнением. Интенсивность света I0 незадолго до измерения пробы все гда определяется на основе схемы автоматического нуля (AutoZero). В пламен ной технике это происходит в результате всасывания «холостого» раствора, в печи с графитовой трубкой – путем измерения незадолго до и сразу после собственно атомизации, причем обе величины интерполируются. В качестве еще одной альтернативы предлагается так называемая система «single path, doublebeam», то есть речь идет об однолучевом спектрометре с максималь ным светопропусканием и двухлучевой стабильностью базовой линии – в резуль тате ее автоматической коррекции при наличии автоматизированной горелки или печи с графитовой трубкой. Горелка, приводимая в действие шаговым двигателем, направляет свое пламя в ход лучей исключительно для проведения измерений, в остальное же время находится за пределами хода лучей (рис. 9.31). Таким образом, до начала измерения, то есть еще пока горелка пребывает вне хода лучей, осуществ ляется автоматическая коррекция базовой линии, с которой соотносится следую щее далее измерение. Этим сглаживаются колебания энергии, например дрейф лам пы во время ее нагревания, таким же образом, как это бывает в оптическом двухлу чевом приборе, хотя и при значительно более высоком светопропускании.

9.9. Аппаратурное оформление процесса

281

Монохроматор

Отклоняющее зеркало

Лампа с полым катодом

Рис. 9.31. Принцип «псевдодвухлучевого» атомноабсорбционного спектрометра

Частота, с которой считывается сигнал абсорбции, играет огромную роль при распознавании быстро меняющихся сигналов, особенно в случае печи с графито вой трубкой. Это чрезвычайно важно и для систем с компенсацией фона, где быст рые сигналы приходится еще и сравнивать друг с другом. Прогресс в области мик роэлектроники способствовал успехам в деле внутрисистемного сбора и обработки данных. В настоящее время уже реализованы приборы с частотами переключений до 200 с–1. Это позволяет надежно компенсировать фоновые характеристики до 2 единиц абсорбции, что соответствует ослаблению начального света до 1% [9.52]. Одинединственный сигнал не в состоянии содержать объем информации, достаточный для целесообразного использования в дальнейших расчетах. В связи с этим предлагается регистрировать несколько сигналов, интегрировать их и вы водить среднее значение. Такой метод однозначно показан для динамических си стем, каковой, в сущности, и является атомизация. Из серии считанных данных автоматически вычисляется среднее значение и его стандартное отклонение. На блюдаемые «выбросы» при этом легко распознаются. В случае пламенной техни ки представляется более благоприятным выполнять несколько коротких интег рирований с образованием средних значений, чем прибегать к долгому считыва нию каждого отдельного показания. Все пламенные атомноабсорбционные спектрометры используют системы ламинарного горения с концентрическим, пневматическим распылителем. Они оснащены встроенным механизмом поджига и контроля пламени. Подключен ная дренажная система заботится об эффективном и непрерывном сливе избы точного раствора. Газ подается с микропроцессорным управлением, причем пре дусмотрено отключение его подачи в случае какихлибо сбоев и неисправностей. Одним нажатием кнопки можно автоматически переключиться с пламени смеси воздуха и ацетилена на пламя смеси закиси азота и ацетилена. Предлагаемые базовые устройства коммерческого назначения относятся к более низкой категории цен, чем однолучевые приборы с пламенной атомизацией и

282

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

дейтериевой лампой для фоновой коррекции. Они используются для измерений повышенных концентраций с пламенем, если только требуется определить всего один элемент либо ограниченное их число. Но эти устройства сконструированы таким образом, что их можно без особого труда дополнительно оснастить графи товой кюветой или системой, функционирующей по принципу холодного пара и/или на основе гидридных соединений. Приборы среднего и чуть выше среднего класса рассчитаны на чрезвычайно слож ные материалы с высоким специфичным фоном, сильными помехами и/или очень низким содержанием элементов, лежащим часто гдето у предела обнаружения. В такой ситуации обычно уже не хватает имеющихся возможностей компенсации и/ или отношения сигнал/шум при коррекции фона с помощью излучателей со сплош ным спектром. Для прецизионных измерений предлагаются тогда фоновые компен саторы, функционирующие на основе эффекта Зеемана либо по принципу Смита – Хифти. Они однозначно превосходят дейтериевые компенсаторы и даже при иссле довании твердых образцов дают до определенной степени верные результаты. Благо даря этому можно проводить анализы даже в самых тяжелых матрицах на основе лишь минимальной пробоподготовки. Такое оборудование предлагается уже с комплект ным оснащением, то есть полностью компьютеризованным, с монитором для ото бражения функций прибора, с оптимизированными применительно к конкретным элементам программами и с одновременным представлением фонового сигнала. Широкий и разнообразный выбор необходимых принадлежностей позволяет создать специальные измерительные площадки, в полной мере отвечающие тре бованиям многостороннего элементного анализа. Предлагаемые приспособления для работы сразу нескольких ламп с полым катодом или безэлектродных разряд ных ламп (ламповые револьверные головки) создают условия для последователь ных анализов множества элементов в одном аналитическом растворе, а с компь ютерным программированием – еще и в полностью автоматическом режиме. Для пламенных измерений имеются многочисленные варианты с большим разбросом цен, охватывающие широкую гамму от регулируемых вручную до надежных ком пьютеризованных систем для проведения особо точных измерений. Предлагается множество самых разных исполнений графитовых трубчатых пе чей. Они оснащены контрольными устройствами для области низких температур (при термическом разложении) и для области высоких температур (при атомиза ции), а также разнообразными возможностями программирования «время – тем пература – защитный газ». Там, где в дополнение к защитному газу предусмотрена еще подача программированных объемов альтернативных газов (водорода, возду ха, кислорода и т.д.), предлагаются дальнейшие варианты более чувствительного определения элементов. Для всех приборов с пламенной либо электротермической атомизацией имеются сегодня автоматически действующие жидкостнодозировоч ные системы. Более совершенные системы могут программироваться для исполь зования непосредственно в атомизаторе. И наконец, следует упомянуть о том, что у всех приборов нового поколения предусмотрено присоединение через подходящие интерфейсы одной или несколь ких систем атомноабсорбционной спектроскопии к лабораторным либо даже более крупным вычислительным машинам, что создает дополнительные воз

9.9. Аппаратурное оформление процесса

283

можности обработки данных и управления, вплоть до комплектной автоматиза ции всей лаборатории. Обширное предложение базовых атомноабсорбционных приборов и разнообразных принадлежностей дает сегодня в руки исследователя, при грамотном выборе и квалифицированном применении, отличный инструмен тарий для реализации надежной элементной аналитики, обеспечивающий благо даря новым разработкам правильное – до известных пределов – определение. Тех нический прогресс в сфере атомноабсорбционной спектроскопии позволяет на деяться на продолжение работ по многим научноисследовательским програм мам и несомненный успех в самом скором будущем.

9.9.1. Одновременное определение нескольких элементов До сих пор для многоэлементного определения, то есть определения содержания нескольких металлов в одной пробе, приходилось каждый элемент подготавли вать отдельно и затем последовательно измерять методом атомноабсорбцион ной спектроскопии. Но потребность в определении хотя бы двух элементов воз никает довольно часто, например, в медицине, а также при осветлении шламов, исследовании почв, биологических образцов и др. Чем больше число определяе мых элементов, тем больше времени требуется на проведение исследования. В стандартной лабораторной практике все попытки одновременного определе ния путем атомноабсорбционной спектроскопии, в том числе с применением мно гоэлементных ламп или зеркал, не дали желаемого результата. Даже опыты с не прерывными излучателями и эшелле высокого разрешения заканчивались неуда чей. И только применение световодной техники сделало возможным проведение действительно одновременного многоэлементного определения. При этом свет от нескольких ламп с полым катодом посредством световодов и линз фокусируется в узкий пучок диаметром около 3 мм (рис. 9.32). В таком виде он проходит через ячейку атомизации (пламя либо графитовая трубка) и через щель попадает на полихрома тор, где веерообразно расходятся отдельные атомные линии [9.53]. Полихроматор имеет несколько выходных щелей, за каждой из которых нахо дятся отдельные фотоумножители или полупроводниковый детектор, настроен Ввод

Полихроматор

Световоды

Лампы с полым катодом

Рис. 9.32. Принцип многоэлементной атомноабсорбционной спектрометрии

284

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

ные на линию соответствующего элемента. Простой переход на другие линии эле ментов здесь возможен без проблем. Подобная техника позволяет проводить од новременное определение нескольких элементов также и при атомноабсорбци онной спектрометрии по методу графитовой трубчатой печи [9.54]. Так как тем пературы пиролиза и атомизации для разных элементов могут быть различны, при многоэлементном определении в качестве компромиссного варианта приходится выбирать максимально возможную температуру пиролиза и самую низкую из тре буемых температуру атомизации, чтобы не ограничивать предел обнаружения и точность метода1. Здесь атомноабсорбционная спектрометрия вступает в еще большую конкуренцию с реальными многоэлементными методами атомноэмис сионной спектроскопии. Весомый вклад в дело приспособления метода атомноабсорбционной спект рометрии для целей многоэлементного анализа может внести использование пе рестраиваемых диодных лазеров вместо ламп с полым катодом. Строго монохро матический свет может перестраиваться в широком интервале длин волн и на правляться через поглощающую ячейку [9.55]. На детекторе регистрируется ин терферограмма, по которой с помощью преобразования Фурье вычисляются отдельные поглощения. Дополнительно диодный лазер можно использовать для измерения фона, причем его эмиссионную линию сдвигают из профиля погло щения определяемого элемента. Так как длины волн диодных лазеров поддаются очень точной настройке, не обязательно всегда работать в центре профиля поглощения, как это делается в слу чае лампы с полым катодом. Когда измеряется фронт профиля поглощения, ин тенсивность поглощения уменьшается, что позволяет простым способом получить расширение динамического диапазона. К сожалению, пока нет соответствующих диодных лазеров для УФобласти спектра, которая преимущественно и нужна. Тем не менее такая техника значительно упрощает конструктивное исполнение атом ноабсорбционных спектрометров и расширяет их область применения.

9.10. Проточноинжекционный анализ в атомноабсорбционной спектрометрии Целью автоматизации является, кроме прочего, компенсация промахов и нечет кой работы аналитика уже на стадии отбора проб, их подготовки и дозирования. Это особенно важно в ультраследовой аналитике, где даже малейшее загрязнение может погубить любое исследование. В атомноабсорбционной спектрометрии операция пробоподготовки связана с большими затратами времени и средств. В качестве альтернативы предлагается так называемый проточноинжекционный метод, который находит применение как для автоматизации всего аналитическо го процесса, так и для обогащения проб. В случае же высоких концентраций эту технику можно использовать для автоматического разбавления проб с целью дос тижения области справедливости закона Ламберта – Бера. 1

Выбирается минимально возможная температура стадии пиролиза и самая высокая из требуемых температур стадии атомизации. – Прим. ред.

9.10. Проточноинжекционный анализ в атомноабсорбционной спектрометрии

285

Метод проточноинжекционного анализа известен уже более 20 лет, но лишь в последние годы стал успешно применяться в многочисленных модификациях в самых разных сферах [9.56]. Принцип данной методики несомненно можно счи тать одним из самых интересных среди последних разработок на уровне коммер ческих систем. Вот ее основные преимущества: автоматический режим работы, простое обслуживание, экспрессность анализа, низкий расход реагентов и проб, а также подача точно выверенного объема исследуемого вещества. Можно с уве ренностью предположить, что проточноинжекционный анализ будет и в после дующие годы оказывать существенное влияние на всех направлениях, в том чис ле и в области атомноабсорбционной спектрометрии. Сочетание проточной ин жекции с атомноспектрометрическими приемами открывает множество новых областей применения – и не только в атомноабсорбционной спектроскопии, но также в атомноэмиссионной и плазменной массспектрометрии. Проточноинжекционный анализ в качестве самостоятельного аналитичес кого метода был разработан в 1975 г. [9.57], и в упрощенном виде его можно опи сать следующим образом. Если заданный, точно установленный объем жидкой пробы впрыскивается в непрерывно движущийся поток несущей жидкости, этот носитель увлекает пробу за собой. Показанный на рис. 9.33 инжекционный вен тиль выполняет две функции. В позиции LOAD (загрузка) мерная петля заполня ется точно выверенным объемом жидкой пробы. В позиции INJECT (впрыск) про ба вводится в непрерывно движущийся несущий поток. Параметры при этом мож но выбирать с таким расчетом, чтобы исключить скольконибудь значимое пере мешивание. Далее проба проходит через смесительную камеру, где, в результате добавления раствора реактива, во время транспортировки протекает соответству ющая химическая реакция, после чего проба попадает в подходящую систему де тектирования. Для смешивания растворов с малым гидравлическим сопротивле нием достаточно простых, недорогих, рукавных насосов перистальтического дей ствия с низким рабочим давлением. Несущий Загрузка поток Дозировочный контур Проба

Отходы К системе детектирования

Впрыск

Смесительная камера

Раствор реактива

Рис. 9.33. Принцип проточноинжекционного анализа

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

286

9.10.1. Проточно'инжекционная атомно'абсорбционная спектрометрия на основе определения гидридов и ртути Эти системы уже на протяжении многих лет остаются надежной принадлежнос тью атомноабсорбционной спектрометрии при проведении высокочувствитель ного, селективного определения ртути и элементов As, Se, Sb, Te, Bi и Sn, образу ющих газообразные гидриды. Основным достоинством ртутногидридной мето дики является обусловленное ее основополагающим принципом полное отделе ние определяемых металлов от мешающих матриц. Поэтому при использовании данного метода почти не приходится иметь дело с матричными помехами и фоно вым поглощением. На первых порах самым серьезным недостатком рассматрива емого способа считался тот факт, что он не поддается автоматизации либо тако вая связана с непомерными затратами. В сочетании с ртутногидридным прин ципом анализа проточная инжекция дает особые преимущества в отношении пол ностью автоматического определения этих элементов [9.58]. Итак, в общей сложности четыре потока жидкости: • • • •

носитель, восстановитель, проба и оставшаяся жидкость

подлежат транспортировке с помощью насосов перистальтического действия. Нужен многолинейный распределитель с дозировочным контуром для дозировки пробы. Трехканальный насос подает сначала по одному каналу соляную кислоту в качестве несущего потока, по другому каналу – боргидрид натрия (NaBH4) в ка честве восстановителя. Оба этих потока жидкости встречаются за многолиней ным распределителем в одной смесительной камере. Пробы, стоящие наготове в загрузочном автомате, вторым насосом прогоняются по дозировочному контуру, после заполнения которого переключается вентиль с электронным управлением, и несущий поток HCl перемещает определенный объем пробы из дозировочного контура в смесительную камеру. Когда проба попадает в смесительную камеру, происходит интенсивное пере мешивание ее с восстановителем и последующая спонтанная реакция. При этом подлежащий определению элемент переводится в форму газообразного гидрида либо восстанавливается в металлическую ртуть. Освободившийся водород и до полнительный поток аргона гонят гидрид металла или, соответственно, металли ческую ртуть в нагретую кварцевую кювету, находящуюся в измеряемом луче атом ноабсорбционного спектрометра. В поглощающей ячейке гидриды разлагаются на элементы и атомизируются (рис. 9.34). Прежде чем смесь газа и жидкости попадет в кювету, она направляется через сепаратор, где от газа отделяется остальная жидкость. Этот остаток жидкости от сасывается третьим каналом трехканального насоса и отводится в сборник отхо дов. В сочетании с механизмом подачи проб весь анализ выполняется с компью терным управлением. Автоматизация и в 5 раз более короткое по сравнению с обычным периодическим режимом работы время определения обеспечивают вы сокую пропускную способность при исследовании проб. На полный анализ од

9.10. Проточноинжекционный анализ в атомноабсорбционной спектрометрии Свет лампы с полым катодом

Одно канальный насос

Механизм подачи проб

287

Кварцевая кювета

Сепаратор

Трехканальный насос

Отходы

Рис. 9.34. Принцип проточноинжекционной ртутногидридной атомноабсорбци онной спектрометрии

ной пробы уходит около 30 секунд, причем объем пробы можно снизить пример но до 0,5 мл [9.59]. Для достижения сопоставимых релевантных пределов обнару жения при периодическом режиме требуются пробы в объеме не менее 50 мл, так что раствора реактивов при использовании описанного метода расходуется зна чительно меньше. Для определения ртути в ультраследовом диапазоне данная система может быть совмещена с техникой обогащения. Для этого используют амальгамное образова ние со сплавом золота и платины, вновь распадающееся при высокой температу ре. Выделившиеся из пробы пары ртути в определенное время направляются че рез золотоплатиновую сетку и в режиме реального времени насыщаются там амальгамным образованием. В результате быстрого нагрева сетки ИКизлучени ем до 600°С накопленный объем ртути спонтанно освобождается и отправляется в поглощающую ячейку.

9.10.2. Проточно'инжекционная пламенная атомно'абсорбционная спектрометрия Сочетание проточноинжекционного и пламенного методов атомноабсорбцион ной спектроскопии значительно расширяет ее область применения [9.60]. Кроме прочего, это могут быть анализы проб с высоким солесодержанием, автоматизиро ванное разбавление проб и автоматическая подача буферных растворов и реаген тов. Для этого потребуется два одноканальных насоса перистальтического действия. Один насос непрерывно подает несущий поток (деионизированная вода, разбав ленная кислота или т.п.), другой служит для заполнения дозировочного контура соответствующей пробой. После этого переключается вентиль, и объем пробы из дозировочного контура уносится потоком в распылитель горелки (рис. 9.35). Эта операция также выполняется полностью автоматически [9.61]. Описанный способ особенно удобен при анализе проб с очень высокой долей матрицы. В связи с тем, что система «горелка – распылитель» после каждого изме

288

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия Свет лампы с полым катодом

Одноканальный насос

Одноканальный насос

Рис. 9.35. Принцип проточноинжекционной пламенной атомноабсорбционной спектрометрии

рения подлежит обязательной промывке несущим раствором, то никакой опаснос ти засорения горелки или распылителя не возникает. Отложений матрицы в горел ке тоже не остается. Прямой анализ в течение длительного времени возможен даже в отношении насыщенных солевых растворов. Благодаря непрерывной промывке аэрозолем исключаются химические реакции между матрицей и воздухом. При данной методике улучшается также стабильность горения пламени, по скольку через него непрерывно проходит раствор (несущий поток или проба). Таким образом, в отличие от традиционного способа, отпадает необходимость в постоянном переключении с подсоса растворителя на подсос воздуха, и наобо рот. Кроме того, расход проб при проточноинжекционном методе в сочетании с пламенем безусловно меньше, чем при обычной пламенной атомноабсорбцион ной спектрометрии. Как правило, бывает достаточно всего 0,5 мл раствора про бы; это преимущество имеет особое значение при работе с пробами, представ ленными в минимальном объеме [9.62]. С помощью проточной инжекции процесс разбавления проб можно прово дить в режиме реального времени. При этом проба в смесительном рукаве или в тройнике смешивается с разбавляющим раствором и затем посылается в распыли тель. Здесь достигается, без больших потерь времени, разбавление почти в 200 раз. Если измеряемая величина окажется за пределами области градуировки, то анализ может быть автоматически повторен с более сильным разбавлением. Возможно также и прямое добавление матричных модификаторов в режиме реального времени, когда проба смешивается с несущим потоком модифицирую щего раствора, как при разбавлении. В качестве наглядного примера здесь можно упомянуть добавление раствора хлористого цезия как ионизационного буфера при определении натрия или калия или добавление раствора лантана с целью подав ления фосфатных помех при определении кальция. Наряду с преимуществом ав

9.10. Проточноинжекционный анализ в атомноабсорбционной спектрометрии

289

томатической подачи модификатора, при таком способе полностью сохраняется исходная проба, которую можно использовать в дальнейшей работе при опреде лении других элементов.

9.10.3. Проточная инжекция в сочетании с распылительной системой высокого давления При традиционном пневматическом распылителе в пламя поступает всего 5–10% аэрозоля. Остаток анализируемого вещества в виде крупных капель отводится из смесительной камеры. Изза столь низкого выхода аэрозоля расход веществ ока зывается довольно высоким, чем существенно ограничивается возможный пре дел обнаружения. В случае растворов с высоким солесодержанием возникает еще одна опасность, связанная с закупориванием капилляров распылителя, так что растворы повышенной вязкости вообще не поддаются распылению. С помощью ультразвуковых распылителей достигается значительно лучшая эффективность образования аэрозоля – на уровне 30%. Но подобные исполне ния применяются главным образом при атомной эмиссии (оптическая эмисси онная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и плазменная массспек троскопия). В отношении растворов с высоким солесодержанием и вязких жид костей установлены такие же ограничения, что и в случае простых, пневматичес ких распылителей. Чаще всего используемые при проточноинжекционной технике трубчатые на сосы перистальтического типа функционируют с совсем низким рабочим давлени ем. Эти недорогие насосы рассчитаны на подачу и смешивание растворов малого гид равлического сопротивления. При более высоком сопротивлении, связанном с вяз кими растворами либо присутствующими в проточной системе хроматографически ми колонками с мелкозернистым наполнителем, скорость течения заметно падает. Выход аэрозоля удается значительно повысить как раз за счет распыления именно под высоким давлением. Распыление высокого давления, отлично заре комендовавшее себя техникой впрыска у дизельных двигателей, успешно исполь зуется сегодня и для ввода проб при атомной спектрометрии. Благодаря этому эффективность подачи в пламенной атомноабсорбционной спектрометрии дос тигает 50–60%. Столь высокого выхода аэрозоля не дает никакая другая система распыления. Более мощный массовый поток и более высокая доля аэрозоля, пол ностью испаряемая в пламени, повышают чувствительность определения в зави симости от определяемого элемента от 3 до 10 раз [9.63]. Влияние матрицы в случае растворов с высоким солесодержанием несравненно ниже, чем при пневматическом распылении, ибо более мелкие капли обеспечи вают лучшее испарение в пламени. Совместное действие таких факторов, как по вышение чувствительности и снижение матричных помех, помогает улучшению способности к обнаружению. Благодаря этому удается в значительной степени преодолеть ограничения прежних способов распыления, в том числе и сочетаю щихся с системами низкого давления. Распылительную систему высокого давления легко собрать из известных мо дулей высокоэффективной жидкостной хроматографии. При все большем рас

290

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

пространении метода высокоэффективной жидкостной хроматографии и посто янном росте числа производителей необходимого для реализации данного мето да оборудования цены на насосы высокой мощности в последние годы упали на столько, что соответствующие насосные системы сейчас можно использовать для решения самых сложных задач разделения и течения. Кроме прочего, на основе системы высокоэффективной жидкостной хроматографии предлагаются, наряду с известными во всем мире «стандартными принадлежностями» от самых разных изготовителей, модули для любых схем потоков высокого давления, включая их автоматизированные версии [9.64]. Давление для гидравлического распыления высокого давления создается спе циальным насосом HPLC, разработанным когдато именно для высокоэффектив ной жидкостной хроматографии (рис. 9.36). Здесь предлагаются исполнения с регулируемой скоростью потока и рабочими давлениями до 400 бар. Такой насос непрерывно всасывает на стороне низкого давления жидкость (воду или органи ческий растворитель) и через поршень сообщает ей – с учетом гидравлического сопротивления на вторичной стороне – соответствующее рабочее давление. Для создания гидравлического давления перед смесительной камерой атомноабсор бционного спектрометра предусмотрена сопловая пластинка из платины/иридия с круглым выходным отверстием диаметром всего 20 мкм (на выбор также: 10, 15, 30 мкм). В случае распыления маловязких растворов (например, воды) при ско рости течения 2 мл/мин и с отверстием сопла 20 мкм устанавливается давление много выше 100 бар. Поскольку раствор продавливается через сопло с диаметром всего 20 мкм, крупных капель не образуется. С соплом 10 мкм получаются еще более мелкие капли, средний же диаметр капель составляет 5 мкм. Подлежащие исследованию пробы вводятся с помощью стандартного венти ля в высоконапорный поток жидкости, который уносит их к сопловой пластинке, где и происходит впрыск в пламя горелки. Все соединения высокого давления Свет лампы с полым катодом Напорный насос

Вентиль высокого давления Сопло распылителя высокого давления Насос перистальтического действия Дозировочный контур

Механизм подачи проб

Отходы

Рис. 9.36. Блоксхема проточноинжекционной системы с распылителем высоко го давления

9.10. Проточноинжекционный анализ в атомноабсорбционной спектрометрии

291

представляют собой капилляры, выполненные из высококачественной стали. Так утопленная в несущем потоке каплеобразная проба достигает сопла практически в разбавленном виде. Путем соответствующего выбора дозировочного контура (от 0,02 до 0,5 мл) можно варьировать объем пробы в достаточно широком диапазо не, настраивая его на концентрацию определяемого элемента.

9.10.3.1. Сочетание с ионной хроматографией Как известно, классическая атомноабсорбционная спектрометрия с пневмати ческим распылением обеспечивает измерение только общего содержания одного сорта ионов тяжелых металлов, то есть она не способна различить Fe2+ и Fe3+, а может указать лишь их общее содержание. В сочетании с ионной хроматографи ей, разделяющей ионы в специальных ионообменных колонках, можно получить информацию касательно их специфичности. При использовании распылитель ной системы высокого давления осуществить требуемое дооснащение довольно легко, поскольку здесь уже имеются необходимый высоконапорный насос и спе циальный вентиль для подачи пробы. Если между механизмом загрузки проб и распылительным соплом высокого давления установить колонку для аналитического разделения тяжелых металлов, то разные катионы, разделенные в том числе и по их заряду, будут попадать в пла мя в разное время (рис. 9.37). В сочетании с катионообменной колонкой можно тогда получить реализуемое в реальном времени сопряжение методов ионной хро матографии и пламенной атомноабсорбционной спектрометрии. Принципом ионной хроматографии является разделение разных ионов металлов, а при тра диционной технике атомноабсорбционной спектроскопии на основе лампы с по лым катодом в ходе лучей удается определять только разные степени валентности элемента. Для многоэлементных анализов требуется одновременный ввод ламп с полым катодом, для чего используются световоды. Свет лампы с полым катодом Разделительная ионообменная колонка

Напорный насос

Распылительное сопло высокого давления Насос перистальтического действия Дозировочный контур

Механизм подачи проб

Отходы

Рис. 9.37. Сочетание ионной хроматографии с пламенной атомноабсорбционной спектрометрией

292

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

9.10.3.2. Концентрирование элементов и отделение матрицы В ультраследовой аналитике, прежде чем приступить к собственно анализу, неред ко прибегают к разделительным процессам, чтобы, вопервых, концентрировать исследуемое вещество до регистрируемой концентрации и, вовторых, отделить ме шающую матрицу. В принципе здесь стремятся к улучшению соотношения объе мов определяемого элемента и матрицы. Но если отдельные операции выполнять вручную, это займет слишком много времени и никак не ответит требованиям стан дартной аналитики. Благодаря проточноинжекционному способу данный процесс можно автоматизировать с помощью простых схем специальных насосов и венти лей. Тогда удастся посредством пламенной атомноабсорбционной спектрометрии для решения специальных задач повысить способность к обнаружению при атом ноабсорбционной спектрометрии по методу графитовой трубчатой печи [9.65]. Механизмы концентрирования следовых металлов в колонках с применением проточной инжекции можно условно разделить на две группы, в основе которых лежат: • ионообменник и • экстракция сорбента. Итак, вопервых, могут использоваться ионообменники, вовторых, экстрак ция сорбента в заполненных органическими группами силикагелевых колонках создает возможность обогащения металлов в форме их хелатных соединений. Ионообменники и раньше находили применение в пламенной атомноабсорб ционной спектрометрии. Для концентрирования следовых элементов могут исполь зоваться все известные аниониты и катиониты. Они позволяют одновременно кон центрировать сразу несколько элементов, просты в обращении и легко «вписыва ются» в проточноинжекционную систему. Главным недостатком здесь считается, как правило, низкая селективность. Если проба наряду с определяемым элементом содержит еще и другие поглощающие ионы металла, приходится выбирать колон ки очень большой емкости, что неизбежно потребует увеличения объема жидкости для элюирования, а это, в свою очередь, приведет к снижению эффекта концент рирования ионообменной колонки. Тем не менее в случае проб, не содержащих вовсе либо содержащих лишь небольшой объем адсорбирующих компонентов мат рицы, концентрирование катионитами с помощью проточноинжекционной пла менной атомноабсорбционной спектроскопии может стать чрезвычайно простым и эффективным средством повышения чувствительности этого метода. Широко распространенным способом концентрирования следовых металлов является комплексация и последующая экстракция в органическую фазу. Обра зование через экстракцию сорбента уже предлагалось ранее: здесь происходит объединение элементов экстракции растворителя с концентрированием в колон ках; в растворе пробы подлежащий определению элемент комплексуется посред ством хелатирующего вещества. Для многих тяжелых металлов в качестве хела тобразователя используется ДДТК (диэтилдитиокарбаминат). Поскольку щелоч ные и щелочноземельные металлы не образуют ДДТК, этот способ – наряду с концентрированием тяжелых металлов – имеет то преимущество, что одновре менно происходит отделение матрицы. Так, при обогащении элементов из морс кой воды или соляных источников одновременно отделяется NaCl.

9.10. Проточноинжекционный анализ в атомноабсорбционной спектрометрии

293

Хелаты посредством проточноинжекционной системы перемещаются к колон ке, содержащей силикагель, химически модифицированный органическими груп пами. Эти модифицированные силикагели относятся к сфере жидкостной хрома тографии, а на гидрофильной поверхности силикагеля химически связаны длин ноцепные щелочные группы (например, щелочная группа с 18 атомами С), так что силикагелевая поверхность обладает теперь гидрофобными свойствами. Гидрофоб ный материал колонки играет роль органического экстрагирующего агента, им ад сорбируются хелаты металлов. Посредством смешанных с водой органических ра створителей (этанола или метанола) хелаты на следующем этапе могут быть элюи рованы и переданы для измерения в атомноабсорбционный спектрометр. С учетом того, что для элюирования металла приходится разрушать не связь металла с хелатом, а лишь относительно слабую связь всего комплекса с материа лом носителя, могут использоваться очень сильные комплексообразователи, спо собные комплексовать металлы даже в очень кислой среде. Это позволяет приме нять данный метод также и для кислых растворов, например после приведения в растворимую форму посредством кислотной обработки. Поскольку для многих элементов могут быть синтезированы рассчитанные конкретно на них хелатооб разователи, то такое комплексование отличается высокой селективностью. Для реализации автоматического насыщения следовых веществ требуется два насоса (рис. 9.38). Один из них располагает двумя каналами и транспортирует ра створ пробы и комплексообразующий раствор к обогатительной колонке, где про исходит колоночное концентрирование образующихся хелатов металла. После за вершения управляемого во времени процесса концентрирования переключается многолинейный клапан, и тогда второй насос гонит элюент через колонку. Элю ированные хелаты металла перемещаются к распылителю атомноабсорбцион ного спектрометра [9.66]. Другой вариант концентрирования следов металлов предлагает целлюлоза. Она легко модифицируется с помощью разных хелатообразователей, приобретая при Свет лампы с полым катодом Элюент

Насосы Проба

Смесительная Комплексо камера образующий раствор

Колонка для обогащения

Отходы

Рис. 9.38. Принцип проточноинжекционного обогащения

294

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

этом адсорбционные и хелатообразующие свойства. В отличие, например, от ак тивированных углей, также обладающих хорошей сорбционной способностью, можно изготовить очень чистую целлюлозу, что, как известно, является обяза тельным условием следовой аналитики.

9.10.4. Перспективы применения проточной инжекции в атомно'абсорбционной спектрометрии Наряду с уже описанными способами, в последующие годы ожидается появление и ряда других возможностей применения проточной инжекции в атомноабсорб ционной спектрометрии. Это несомненно будет способствовать дальнейшей ав томатизации работы аналитической лаборатории, причем проточная инжекция как функционирующий в реальном времени способ подготовки проб приобретет универсальное значение. В результате разработки новых методов элементносе лективного обогащения и отделения матрицы значительно повышается надеж ность анализов. Особый интерес представляет при этом достигаемая специфич ность, например при определении Cr (III), Cr (VI) или As (III), As (V). Продолжает совершенствоваться также подготовка образцов в режиме реаль ного времени в сочетании с микроволновым оборудованием. При этом подходя щая кислота в качестве несущего потока транспортируется перистальтическим на сосом, а проба подается через дозировочный контур. Поток жидкости проходит через пробоприготовительную камеру, находящуюся в фокусе СВЧизлучения. Здесь про ба интенсивно нагревается высокочастотным электромагнитным полем и в тече ние короткого времени приводится в растворимую форму. После этого поток жид кости вновь охлаждается в проточном охладителе до комнатной температуры. Проточная инжекция призвана изменить принцип аналитики на уровне атом ной спектрометрии в сторону упрощения. Она располагает потенциалом, необ ходимым для автоматизации и облегчения работы с атомноспектрометрически ми детекторами применительно ко многим видам проб.

9.11. Оснащение лаборатории атомноабсорбционной спектрометрии Размер и оснащение места измерения методом атомноабсорбционной спектро скопии зависят преимущественно от поставленной аналитической задачи, лич ных предпочтений сотрудников и, конечно, от финансовых средств, коими рас полагает лаборатория. Уже в самом начале планирования нового рабочего места необходимо внимательно ознакомится с отличительными особенностями и пре имуществами всех возможных атомизаторов, ибо требуемая площадь и затраты на монтаж не в последнюю очередь определяются именно выбранным механиз мом атомизации. При расчете занимаемого пространства несомненное значение играют также используемые принадлежности, как то: автоматические механизмы подачи проб, системы обработки данных, самописцы, принтеры и т.д. Наконец, необходимо учитывать требуемые для подготовки пробы устройства, инструмен ты и прочее оборудование.

9.11. Оснащение лаборатории атомноабсорбционной спектрометрии

295

9.11.1. Вытяжная система при работе с пламенной атомно'абсорбционной спектрометрией Обязательная вытяжка, предусмотренная прямо над пламенем, предписана в законо дательном порядке [9.67] и должна отвечать, в частности, следующим требованиям. • Исключение опасности для обслуживающего персонала со стороны вред ных для здоровья продуктов сгорания и окислов азота (пламя на основе ве селящего газа). • Надежная защита всего оборудования и лаборатории в целом от действия вызывающих коррозию паров. • Обеспечение достаточной стабильности пламени и принятие мер по устра нению возможных сквозняков.

Двигатель вытяжной системы Пламенная камера

Рис. 9.39. Пример вытяжной системы

При конструировании вытяжной системы следует иметь в виду, что пламя не должно оказаться в зоне действия нежелательных воздушных потоков (рис. 9.39). Мощность всасывания вытяжной установки может составлять порядка 5 м3/мин при пламени смеси воздуха и ацетилена и от 8 до 10 м3/мин при пламени смеси закиси азота и ацетилена. Все имеющиеся швы и соединения в вытяжной уста новке выполняются методом свинчивания, клепки либо сварки; пайка в силу вы соких температур здесь не годится.

9.11.2. Рабочее пространство Рабочее место для измерения методом атомноабсорбционной спектроскопии лучше всего устроить в отдельном помещении, за пределами лаборатории с «мок рыми» химическими способами, в чистом, свободном от пыли окружающем про странстве. При следовых определениях чистый воздух помещения является обя зательным условием, призванным исключить вероятность занесения в пробу за грязнений и т.п. Помимо прочего, это позволяет находиться вдали от агрессив ных паров, что помогает избежать коррозионных повреждений. В качестве горючего газа используется чаще всего ацетилен, причем это может быть обычный сварочный ацетилен из газового баллона. Стандартного 20лит

296

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

рового баллона хватает почти на 20 часов работы. Поскольку стабильность газо вого потока определяет качество пламени и, следовательно, точность измере ния, здесь настоятельно рекомендуется установить двухступенчатый редукци онный клапан. Основным окислителем у пламени атомноабсорбционной спектрометрии является сжатый воздух. Вводимый в горелку сжатый воздух должен быть свобо ден от масел, пыли и воды. Поэтому следует позаботиться о тщательной очистке и сушке воздуха на участке между местом его забора и атомноабсорбционным спек трометром. Применение веселящего газа в качестве окислителя обойдется гораздо дороже, чем работа со сжатым воздухом. Закись азота поставляется в газовых баллонах под давлением около 5000 кПа (50 бар). Расход N2O горелкой достигает 10–20 л/мин. Поскольку N2O находится в жидком виде, уровень заполнения не считывается по индикатору давления. И только когда баллон практически пуст, давление в нем резко падает. На заправку 40литрового баллона требуется от 10 до 12 часов. Ис пользование веселящего газа требует наличия специальных принадлежностей и принятия особых мер безопасности.

9.1.3. Дренаж горелки Смесительная камера горелки нуждается в специальном сливе для отвода капель аэрозоля, приставших к стенкам и отбойным поверхностям. Так как здесь одно временно содержится взрывчатая газовая смесь, необходимо строго следить за тем, чтобы газ не улетучивался через спускное отверстие. Поэтому на спуске из смеси тельной камеры должна быть предусмотрена дренажная система с погружением. С этой целью надо надежно зафиксировать в указанном месте дренажный рукав и ввести в него кольцевой сифон диаметром 15–20 см. Сам дренажный рукав дол жен входить в подходящий приемный бачок. Сифон заполняется водой, и выход ное отверстие рукава в приемном бачке погружается в воду на глубину примерно 15 см (рис. 9.40).

От смесительной камеры

Сифон

Рис. 9.40. Дренаж горелки

9.12. Резюме и перспективы развития атомноабсорбционной спектроскопии

297

9.12. Резюме и перспективы развития атомноабсорбционной спектроскопии В элементной аналитике атомноабсорбционная спектрометрия благодаря просто те и высокой селективности метода завоевала прочное место на уровне стандартно го оснащения химикоаналитической лаборатории, предлагая достаточно простое решение многих аналитических задач. Эта методика особенно широко распростра нилась в последние годы, а разработка необходимого для нее оборудования обеспе чила возможность проведения многих, ранее трудно выполнимых анализов прежде всего благодаря надежно работающему механизму смены проб и программному обеспечению по управлению процессом. Накопление опыта работы с этой техни кой позволяет надеяться на дальнейшее успешное применение атомноабсорбци онной спектрометрии, в частности, в сфере определения следов и ультраследов эле ментов. Какихто значимых инноваций здесь пока не ожидается. В качестве классического атомизатора при атомноабсорбционной спектро метрии выступает пламя. Пламенная атомноабсорбционная спектроскопия яв ляется сегодня одним из самых совершенных методов анализа. Требования к спек трометрам с точки зрения коррекции фона и скорости обработки данных здесь ниже, чем при работе по методу графитовой трубчатой печи. Фоновое поглоще ние остается довольно низким вследствие разбавления пробы пламенными газа ми. Пламенную технику характеризует быстрая и хорошая воспроизводимость, однако пределы обнаружения у нее несколько ограничены. В осуществлении загрузки и подачи проб был достигнут значительный про гресс. Более эффективному выходу аэрозоля и желаемому уменьшению размера капель в немалой степени способствовал принцип распыления аналитического раствора под высоким давлением, за счет чего удалось заметно улучшить способ ность к обнаружению. Метод пламенной атомноабсорбционной спектроскопии используют теперь даже в режиме реального времени при элементноспецифич ном обнаружении после разделения по принципу жидкостной хроматографии, причем требуемое для разделения давление одновременно служит целям распы ления раствора при атомноабсорбционном анализе. Способ графитовой трубчатой печи как вариант атомноабсорбционной спек трометрии получила широкое признание в области следовых и ультраследовых определений более чем 50 элементов. Со времени внедрения этого способа в 1970 г. была получена разнообразная дополнительная информация, позволившая успеш но работать над совершенствованием относящегося сюда оборудования. Печь с графитовой трубкой стала проявлять более высокую чувствительность обнаруже ния, но и более явную подверженность воздействию помех, чем пламенная тех ника. К спектрометрам в данном случае приходится предъявлять самые высокие требования, особенно в отношении компенсации фона. Для достижения возможности слежения за быстрыми изменениями концент рации атомов в графитовой трубке крайне необходима ускоренная обработка дан ных. Отличающийся высоким разрешением способ измерения фона с использо ванием эффекта Зеемана непосредственно на атомной линии дал здесь превос ходные результаты.

298

Глава 9. Атомноабсорбционная спектроскопия

Дополнительное применение компьютерной техники с одновременной обла дающей высоким разрешением графической записью с отображением на экране дисплея специфичных и неспецифичных сигналов оказывает неоценимую помощь в деле развития и совершенствования метода, особенно при исследовании слож ных проб. Интегрирование площадей сигналов вместо оценки их уровня дает не сравнимо более воспроизводимые результаты. Путем принятия мер разного характера удалось добиться протекания атоми зации в необходимом термическом равновесии. Системные погрешности при (фракционированном) испарении могут быть сглажены за счет использования изотермической печи, которая в виде версии с поперечным нагревом предлагает ся сегодня в ряде коммерческого оборудования. Это позволило превратить атом ноабсорбционную спектроскопию по способу графитовой трубчатой печи в ана литический прием, почти не обремененный помехами. Новые способы отбора проб и компьютеризованные механизмы их подачи закладывают фундамент надежно го определения элементов в ультраследовом диапазоне. Техника по принципу гра фитовой трубки в современном исполнении достаточно совершенна и относится к важнейшим методам анализа мельчайших следов элементов. Она находит при менение не только в биологии и медицине, но и во многих других областях – в микроэлектронике, определении качества воды, исследовании свойств химика тов и т.д. Анализ твердых веществ по методу графитовой трубчатой печи продолжает набирать популярность и уже стал инструментом рутинной лабораторной прак тики. Прямой ввод материала пробы в измерительный процесс без всякой хими ческой подготовки заметно увеличивает пропускную способность метода. По бы строте и правильности анализа атомноабсорбционная спектроскопия твердых веществ далеко превосходит традиционную технику с приведением проб в раство римую форму. Появились новые интересные области применения, например пря мое определение содержащихся в пластиках металлов, добавляемых туда в каче стве красочного пигмента (кадмий) или стабилизатора. Следует особо остановиться на анализах с применением гидридов и холодных паров ртути. Преимущество этого метода состоит в отделении определяемого эле мента от мешающей матрицы. Поэтому измерение проводится с высокой точно стью без всякой фоновой коррекции. Требования к спектрометрам здесь намного мягче, чем в случае техники с графитовой трубкой. Полная настройка, управление и контроль за функционированием спектромет ра, графитовой трубчатой печи, механизмов автоматической подачи проб, а также проточноинжекционной системы осуществляются с помощью компьютера. На ряду с системным контролем, современное программное обеспечение позволяет также сохранять сигналы, разные методы калибровки, градуировочные графики, поправочные коэффициенты веса проб, результаты анализов и последующей обра ботки полученных данных. Следует еще раз подчеркнуть, что все эти прекрасные характеристики: удобство обслуживания, многофункциональность, высокая ана литическая эффективность – предлагаются по вполне приемлемой цене. В настоящее время посредством кодированных ламп с полым катодом авто матически устанавливаются длина волны и размер щели. С помощью механизма

9.12. Резюме и перспективы развития атомноабсорбционной спектроскопии

299

переключения ламп достигается автоматический последовательный многоком понентный анализ: возможно исследование до 10 элементов. Компьютер берет на себя все необходимые настройки оборудования, в том числе юстировку ламп и оптимизацию горелок. С прогрессом в области разработок перестраиваемых ди одных лазеров возросло их применение в качестве линейчатых излучателей, так что теперь они практически вытесняют лампы с полым катодом1. До сих пор был доступен интервал длин волн выше 320 нм, что уже позволяло проводить измере ния достаточно большого числа элементов. Но лишь с момента, когда стала дос тупна вся УФобласть спектра, появилась возможность отказаться от классичес кой лампы с полым катодом. В итоге отпадает собственно спектрометрическая часть, и можно проводить одновременные многоэлементные определения с еще лучшей обнаружительной способностью в большом динамическом диапазоне, и все это, повторяем, с весьма умеренными затратами. Диодные лазеры достаточно дешевы даже с учетом относящейся к ним электроники, требуемой для их эксплуа тации и перестройки. Так как на основе перестройки диодных лазеров можно осу ществлять также фоновую коррекцию на первичном источнике, эта проблема вряд ли была бы решена без привлечения дейтериевой лампы или эффекта Зеемана. Благодаря проточноинжекционным методам, которые уже достигли высо кого коммерческого уровня развития, эффективность решения стандартных ана литических задач резко пошла вверх. Хроматографические колонки для предва рительного обогащения следов элементов, срабатывающие до начала процесса атомноабсорбционной спектрометрии, позволяют на порядки улучшить способ ность к обнаружению. Известный недостаток атомноабсорбционной спектрометрии, заключающий ся в том, что элементы могут определяться только последовательно друг за дру гом, в настоящее время частично уже преодолен. Путем моторизации и компью теризации создаются условия для одновременного либо квазиодновременного определения сразу нескольких элементов.

1

Применение диодных лазеров в атомноабеорбционном анализе пока резко ограничено. – Прим. ред.

ÃËÀÂÀ 10 ÀÒÎÌÍÎ-ÔËÓÎÐÅÑÖÅÍÒÍÀß ÑÏÅÊÒÐÎÌÅÒÐÈß Атомнофлуоресцентная спектрометрия – метод, в некотором роде обратный атомноабсорбционной спектрометрии: проба атомизируется в горячем пламе ни, и атомы возбуждаются излучением подходящей частоты. Измерению подле жит излучение, являющееся результатом дезактивации возбужденных атомов. Длина волны испускаемого излучения является характеристической для погло щающих атомов, а интенсивность пропорциональна их концентрации и интен сивности источника излучения. Этот принцип был известен давно, но значение его для анализа было понято лишь в 1964 г. Вайнфорднером и Виккерсом. Флуоресценция при этом наблюдается в направлении, перпендикулярном на правлению облучения. От генерированного термическим путем сигнала излуче ния флуоресцентный сигнал отличается тем, что здесь, как и при атомноабсорб ционной спектроскопии, используется свет переменной интенсивности. Источ ник света модулируется с определенной частотой, а детектор настраивается на эту частоту модуляции. Принципиально конструкция близка к таковой у атомноаб сорбционного спектрометра. С теоретической точки зрения атомная флуоресценция есть отличающийся более высокой способностью к обнаружению вариант атомной спектрометрии, ибо при флуоресценции измеряется очень малая абсолютная сила света, в то вре мя как при атомноабсорбционной спектроскопии регистрируется очень малая разность двух интенсивных световых сигналов. Пределы обнаружения в атомной флуоресценции могут значительно улучшаться с ростом интенсивности излуче ния источника света. Возбужденные светом атомы способны терять свою энер гию в результате тушения, то есть вследствие безызлучательных столкновений. При этом интенсивность флуоресценции в пламени может сильно упасть. Туше ние же в значительной мере зависит от химического состава пламени. При атомной флуоресценции профиль линии и окружающая резонансную ли нию спектральная зона имеют второстепенное значение, так как выходящий из лампы свет не падает на детектор. Главную роль играет здесь интенсивность света, поскольку чувствительность в широком диапазоне прямо пропорциональна осве щенности или плотности облучения. Так как при атомнофлуоресцентной спект рометрии излучение источника света не попадает на детектор, результатом являет ся более высокая линейность градуировочных графиков – свыше четырех и до пяти степеней десяти, в то время как при атомноабсорбционной спектрометрии – все го около трех десятичных порядков. Правда, на форму градуировочных графиков иногда существенно влияют некоторые явления – самопоглощение и т.п. Различают несколько видов флуоресценции (рис. 10.1). Резонансную флуо ресценцию наблюдают, когда атом возбуждается из основного состояния и вновь

Атомнофлуоресцентная спектрометрия

301

Энергия

1 Резонансная флуоресценция 2 Резонансная флуоресценция с термической поддержкой 3 Прямолинейная флуоресценция 4 Ступенчатая линейная флуоресценция 5 Прямолинейная антистоксова флуоресценция с термической поддержкой

6 Прямолинейная флуоресценция с термической поддержкой 7 Ступенчатая антистоксова флуоресценция с термической поддержкой

Рис. 10.1. Разные виды атомной флуоресценции

возвращается в основное состояние с излучением света той же длины волны, ка кая использовалась для возбуждения. Самая мощная резонансная флуоресцен ция возникает, как правило, при переходе из первого возбужденного состояния в основное состояние: она и используется в большинстве случаев для аналитичес ких целей. При прямолинейной флуоресценции атом переводится в более высокое состо яние возбуждения, а оттуда – в низкое возбужденное (но не в основное!) состояние с испусканием квантов флуоресцентного свечения. При ступенчатой линейной флуоресценции атом сначала безызлучательно переходит из более высокого состо яния возбуждения в энергетически более низкое возбужденное состояние, а оттуда затем вновь падает в основное состояние с испусканием флуоресцентного излу чения. Помимо этого, имеются еще и разные виды флуоресценции, в которых она поддерживается термическим способом. При этом либо атом до поглощения све товой энергии уже находится в возбужденном состоянии, либо этот атом после выполнения поглощения световой энергии поднимается посредством термичес кого возбуждения на еще более высокий энергетический уровень. Атомнофлуоресцентная спектрометрия пока не находит широкого практи ческого применения. Это объясняется прежде всего довольно значительными за тратами, необходимыми для генерации интенсивного, узкополосного излучения. Интенсивность атомной флуоресценции и достигаемые при этом чувствительность и предел обнаружения зависят, наряду с числом атомов в основном состоянии, еще и от интенсивности источника возбуждающего света. Первоначально исполь зуемые лампы с полым катодом из сферы атомноабсорбционной спектроскопии не дают света достаточной силы. Для этого необходимы мощные лазеры – экси мерные или азотные. Следует иметь в виду, что изза сложности физических про цессов в атомной флуоресценции работа с такой методикой гораздо сложнее, чем в случае прочих атомноспектрометрических способов. Тем не менее возбуждае

302

Глава 10. Атомнофлуоресцентная спектрометрия

мая лазерным излучением атомная флуоресценция имеет то решающее преиму щество, что она из всех атомноспектроскопических методов обладает самой вы сокой чувствительностью обнаружения. Но, как и атомноабсорбционная спект рометрия, она обеспечивает лишь одноэлементное определение, то есть в одном анализе можно определить всего один элемент1. Сильный рассеянный свет, возникающий при резонансной флуоресценции, связан с интенсивным возбуждающим излучением лазера. Чтобы в полной мере использовать высокую чувствительность атомнофлуоресцентной спектрометрии для следовых анализов в микропробах, предпринимались попытки соединить эту технику с электротермической атомизацией. При этом достигаются абсолютные пределы обнаружения ниже одного фемтограмма или, соответственно, в раство рах – относительные пределы обнаружения ниже 1 триллионной доли. И все же практическое применение данного метода еще далеко отстает от широко распро страненной атомноабсорбционной спектрометрии с графитовой трубкой.

1

Атомнофлуоресцентная спектрометрия позволяет реализовать и многоэлементное оп ределение. – Прим. ред.

ÃËÀÂÀ 11 ÀÒÎÌÍÀß ÑÏÅÊÒÐÎÌÅÒÐÈß Ñ ÏËÀÇÌÀÌÈ Наряду с химическими пламенами в качестве источника возбуждения для каче ственных и количественных спектральных анализов находят применение и плаз мы – как источник для эмиссионной и массспектрометрии. Атомноэмиссион ная спектрометрия использует освобождающуюся энергию при возврате с элект ронных переходов, возбуждаемых при очень высоких температурах. Плазма счи тается также подходящим ионным источником для массспектрометрии. Так как в обоих случаях возбуждение обычно достигается посредством индук тивно связанной плазмы (inductively coupled plasma), то более точно эти два мето да можно обозначить следующим образом: • оптическая атомноэмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и • плазменная массспектрометрия1. В профессиональном жаргоне химикованалитиков укоренилась аббревиату ра ИСП (индуктивно связанная плазма) для простоты обозначения атомноэмис сионной спектрометрии. Это сокращенное обозначение, конечно, нельзя при знать правильным, поскольку оно указывает только на способ возбуждения, ос тавляя за скобками принцип измерения. Это то же самое, как если бы при работе с пламенем в качестве атомизатора непритязательно назвать атомноабсорбци онную спектрометрию просто воздушноацетиленовым пламенем. ИСП была впервые опробована в химикоаналитических целях в начале 60х годов двумя учеными независимо друг от друга – Фасселом в США и Гринфилдом в Великобритании [11.1]. В середине 70х годов уже появились коммерческие при боры, причем первые ИСПспектрометры использовались в лабораториях стале литейных предприятий. В 80е годы отмечается стремительное расширение обла стей применения спектрометрии с ИСП – примерно так, как это происходило в 70е годы с атомноабсорбционным методом. Порядок цен на спектрометры для реализации данного метода начинается примерно с 80 000 нем. марок, а рост выше этой суммы определяется не столько механизмом возбуждения, сколько особенностями исполнения спектрометра, уровнем автоматизации и качеством системы сбора и обработки данных. Совре менные атомноэмиссионные спектрометры обязательно компьютеризированы либо подключены к соответствующей ЭВМ. Стандартные программы поиска рез ких максимумов и способы регистрации фона у спектрометров последовательно го и одновременного действия относятся к уровню техники. 1

Понятие «плазменная массспектрометрия» сейчас относят к использованию в качестве источника ионов не только индуктивно связанной плазмы, но и микроволновой плазмы и тлеющего разряда. – Прим. ред.

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

304

По сравнению с химическими пламенами, плазмы отличаются чрезвычайной многосторонностью; их основные преимущества: • • • •

многоэлементный анализ, низкие матричные эффекты, прозрачность в УФобласти спектра, линейный диапазон измерения на уровне нескольких десятичных порядков.

Деятели науки, специалисты по экономике, представители административ ных организаций, многих сфер хозяйственной деятельности стремятся сегодня найти возможности для регистрации всех существующих в природе элементов практически во всех мыслимых органических и неорганических матрицах и в широком концентрационном диапазоне. При плазменной спектрометрии может одновременно возбуждаться множество элементов. Следовательно, это самый эффективный способ многоэлементного определения, то есть одновременного анализа 20 элементов и более. Матричные эффекты здесь не столь велики, и изза высокой температуры ядра плазмы более 5000 по Кельвину достигается лучшая диссоциация термостойких оксидов или карбидов. Никаких мешающих химических реакций здесь не проте кает. Поэтому с учетом весьма умеренной склонности к погрешностям нередко при нимается решение об отказе от достаточно затратных способов предварительной обработки, несущих с собой дополнительные источники помех. Помимо прочего, плазма в отличие от пламени прозрачна в УФобласти спектра, что позволяет су щественно расширить выбираемый интервал частот. По сравнению с атомноаб сорбционной спектроскопией, здесь можно дополнительно использовать еще и область ультрафиолета в вакууме. С помощью вакуумных спектрометров создает ся возможность привлечения в целях анализа наиболее подходящие спектраль ные линии – для фосфора, серы, мышьяка, углерода и проч. Как альтернатива разрежению здесь вполне достаточно обдува аргоном или азотом при умеренном расходе этих газов для расширения диапазона длин волн до 150 нм и ниже. Одна ко при этом необходимо следить за тем, чтобы тщательный обдув обеспечивался по всей траектории светового пучка до самой горелки. Линейная динамическая область концентраций в атомноэмиссионной спект рометрии составляет от 105 до 106, так что для анализа основных и следовых элемен тов требуется в большинстве случаев всего одна пробоподготовка. Чреватое поме хами многократное разбавление при этом отпадает. Напомним, что атомноабсорб ционная спектрометрия дает аналитическую линейность лишь между 102 и 103. Однако и здесь, как и при всех прочих способах работы с растворами, «сла бым местом» является малый выход при распылении. Пользуясь специальной тех никой, можно с помощью плазменной атомноэмиссионной спектроскопии на прямую анализировать даже твердые образцы, причем особенно успешно прохо дят анализы микропроб путем прямого ввода в индуктивно связанную плазму. Для количественного анализа проб металла плазма комбинируется с искровой и дуго вой эрозией1. Искровая эрозия позволяет, например при труднорастворимых вы 1

Обычно применяется термин «абляция». – Прим. ред.

Атомная спектрометрия с плазмами

305

сокотемпературных сплавах, осуществлять определения основных и сопутствую щихх компонентов с достаточно низкими матричными эффектами. Таким образом, атомноэмиссионная спектрометрия для одновременного сле дового анализа многих элементов служит не только дополнением, но часто и за меной атомноабсорбционной спектрометрии. В настоящее время не существует универсального метода решения всех без исключения аналитических задач. Атомноэмиссионные спектры очень богаты линиями. Это приводит к тому, что для определения одного элемента предлагается огромное число линий, и спек тральные помехи при этом становятся одной из главных проблем оптической эмис сионной спектрометрии. Оптическое разрешение прибора играет в атомноаб сорбционной спектрометрии подчиненную роль, поскольку селекция по элемен там здесь происходит в результате атомной абсорбции очень узкополосной и эле ментноспцифичной линии излучения лампы с полым катодом. При эмиссионном же анализе именно оптическая система вершит дело элементной селективности. Поэтому здесь настоятельно необходимо наличие первоклассной оптики. Опти ческие системы, используемые для анализа с ИСП, как правило способны к раз решению двух равноинтенсивных спектральных линий на расстоянии < 0,02 нм друг от друга. Этот показатель уже в 5–10 раз ниже того, что характерен для моно хроматоров, используемых сегодня в атомноабсорбционной спектроскопии. Итак, селективность по элементам при атомноэмиссионной спектрометрии определяется исключительно высоким разрешением монохроматора. Следовательно, предпосылкой эффективности оптической эмиссионной спек трометрии служит тот факт, что аналитические линии могут безупречно выделять ся из насыщенных линиями, сложных спектров. Аналитические спектральные ли нии часто совпадают с другими линиями матрицы либо располагаются на структу рированном спектральном фоне. Поэтому для определения атомных линий требу ются спектрометры высокого спектрального разрешения и прибор регистрации фона. Для этой цели используются либо монохроматоры с высококачественной диф ракционной решеткой с большим фокусным расстоянием, либо компактные эшелле. Они позволяют – по аналогии с пламенами, применяемыми Бунзеном и Кирх гоффом в аналитике XIX века, – регистрировать пробы разными методами, осу ществлять атомизацию при высокой температуре и обнаруживать присутствую щие элементы по испускаемому ими излучению. Линии спектра излучения опре деляемых элементов выделяются с помощью подходящих спектрометров и изме ряются одновременно или последовательно. При этом возможны и многоэлемен тные определения вплоть до области миллионных долей. Как результат спектроскопических исследований с применением множества разных источников в начале 60х годов была опробована, сначала для эмиссион носпектроскопического анализа жидких проб, индуктивно связанная высокоча стотная плазма, которая до сего дня имеет достаточно широкое применение. Дру гие источники излучения, как то: дуговая плазма постоянного тока или СВЧин дуцированная плазма, – являются на данный момент основой важнейших мето дов элементной аналитики в оптической эмиссионной спектроскопии.

306

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

У спектрометров последовательного действия на определение каждого эле мента требуется довольно много времени, да и расход проб соответственно выше. Но зато здесь допустимы гибкие многоэлементные определения при возможнос ти выбора аналитических линий с учетом требуемого предела обнаружения и ми нимально возможных спектральных помех. Сочетание плазм как источника возбуждения с массспектрометрией пред ставляет собой самый современный метод в аналитике следовых количеств эле ментов. Еще в 80е годы Гук и Грей разработали аспекты инструментального и методического оформления интересующего процесса, и теперь можно говорить о соединении идеальной концепции ионизации индуктивно связанной плазмы с очень чувствительным массспектрометрическим детектированием. При плазмен ной массспектрометрии ионы вытягиваются из плазмы через небольшую апер туру и направляются в массспектрометр. Такая комбинация отличается чрезвычайно высокой чувствительностью обна ружения и является оптимальным способом многоэлементного определения. В то время как при оптической атомноэмиссионной спектрометрии с индуктивно свя занной плазмой пределы обнаружения для большого числа элементов находятся на уровне от 1 до 10 миллиардных долей, с плазменной массспектрометрией боль шинство элементов может определяться еще в области концентраций от 0,1 до 1 миллиардной доли. Указанные пределы обнаружения практически не изменяются от элемента к элементу, спектры не отличаются избыточностью, но ионные пучки и здесь тоже могут привести к совпадению спектральных линий.

11.1. Теоретические основы метода Если к атому подвести достаточно высокую термическую энергию, то электроны при этом, преодолевая притяжение ядра, поднимутся с внутренних низкоэнерге тических орбиталей на внешние высокоэнергетические орбитали. Теперь атом находится уже не в основном, а в возбужденном состоянии, но пребывает в нем лишь очень короткое время, и в среднем уже через 10–8 секунд богатые энергией электроны вновь возвращаются в основное состояние или на энергетически бо лее слабую орбиталь. При возврате на уровни меньшей энергии разность освобождающихся энергий между начальным и конечным состояниями излучается в виде света, наблюдаемого как линия спектра. Вообще, возбужденный атом может принимать очень разные энергетические состояния, но отнюдь не любое их число, так что и возможное ко личество спектральных линий остается ограниченным. Согласно закону Кирхгоф фа касательно поглощения и излучения, любое вещество может естественным об разом поглощать свет только той же частоты, какую оно само способно излучать. Но спектры поглощения и излучения элемента заметно отличаются числом наблюдаемых линий. Так, при используемых в атомной абсорбции температурах преобладающее число атомов находится в основном состоянии, и по этой причи не наблюдаются практически только переходы сугубо из основного состояния. Напротив, при температурах возбуждения в атомной эмиссии достигаются самые

11.1. Теоретические основы метода Атомная абсорбция

307

Атомная эмиссия

Атомная орбиталь

Сплошной спектр ионизации

Сплошной спектр ионизации

Рис. 11.1. Схема электронных переходов при атомной абсорбции и атомной эмиссии

разные состояния возбуждения атома, включая образование ионов. Но возврат электронов с испусканием света не всегда заканчивается в основном состоянии, электронные переходы могут осуществляться во все электронные состояния с меньшей энергией (рис. 11.1). В атомноэмиссионном спектре при наличии боль шого числа возможных переходов это приводит к получению спектра с чрезмерно большим количеством линий. У железа, например, известно сегодня около 4700 линий излучения. Линии излучения могут возникать при возврате электронов как из возбуж денных атомных, так и из возбужденных ионных состояний. Итак, различают: • атомные линии и • ионные линии. И те и другие находят применение в аналитике. Поскольку ионы имеют иные энергетические уровни электронных орбиталей, чем соответствующие незаряжен ные атомы, это дополнительно способствует увеличению числа линий. Иониза ция может осуществляться через электронное столкновение, но условия иониза ции в плазме чрезвычайно сложны в силу того, что в этих процессах занято слиш ком много участников. Ионы дополнительно образуют непрерывный спектр, так как при захвате элек трона из свободного газообразного состояния таковой может обладать любой ки нетической энергией и, соответственно, отдавать ее при рекомбинации. Задача источника возбуждения для атомноэмиссионной спектрометрии состоит в том, чтобы генерировать как можно больше возбужденных атомов и ионов, излучаю щих линейчатый спектр. В результате получается интенсивный линейчатый спектр содержащихся в пробе элементов.

308

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Наблюдаемая интенсивность линий I вытекает из термического равновесия при не слишком высокой плотности числа частиц (распределения Больцмана): I =

h ⋅ν h ⋅ν g A ⋅ N1 = A ⋅ N0 ⋅ e 4π 4π Z

− ∆E kT

,

где N0 – число частиц в основном состоянии, N1 – число частиц в возбужденном состоянии, A – вероятность перехода, g – 2J + 1, Z – сумма состояний. Фактор g показывает статистический вес верхнего уровня, причем J есть сум марный момент количества движения. Сумма состояний охватывает m возмож ных форм энергии и определена как: Z = ∑ gm ⋅ e

−∆E m . kT

Таким образом, интенсивность I атомной линии находится в прямой зависи мости от числа частиц N0. По мере повышения температуры возрастает сначала интенсивность линии, которая к тому же еще зависит от конкретного элемента и типа перехода. Но с повышающейся температурой ионизация все больше и больше выступа ет на передний план, то есть ионизационное равновесие смещается в пользу иони зированных частиц. При падающем числе нейтральных частиц N0 должна, следо вательно, понизиться и интенсивность рассматриваемой атомной линии. Поэто му ожидаемое с ростом температуры повышение интенсивности можно наблю дать лишь до тех пор, пока относительно мала степень ионизации. При более высоких температурах с убыванием излучающих нейтральных частиц преоблада ет обусловленное температурой повышение интенсивности. Тогда в силу физи ческих процессов наблюдается с повышением температуры увеличение интенсив ности ионных линий и уменьшение интенсивности атомных линий. Определе ние этих разных интенсивностей атомных и ионных линий элемента представля ет собой способ измерения очень высоких температур.

11.1.1. Что такое плазма? Если исходить из того, что при температуре выше 4000°С ни одно из известных нам веществ уже не существует в виде твердого тела, то возникает закономерный вопрос: нет ли наряду с классическими агрегатными состояниями (твердым, жид ким и газообразным), может быть, еще какогонибудь четвертого, «ультрагазово го» состояния? Фактически так оно и есть: это именно то, что в самом широком смысле слова обозначается как плазма. Качественный признак, способствующий образованию плазмы из обычного газа, основан в первую очередь на том, что в газе появляются электрически заряженные частицы, возникающие в результате разрушения молекул газа. Плазма есть излучающий, квазинейтральный и элетропроводящий газ, состо ящий из атомов, молекул и ионов во всех агрегатных состояниях, а также из сво бодных электронов, так что наряду с нейтральными частицами имеются и сво

11.2. Образование плазмы

309

бодно движущиеся, электрически заряженные частицы. Уже при очень малой сте пени ионизации на уровне миллионной части процента можно наблюдать плаз менные свойства. Эта область простирается тогда до таких плазм, которые почти полностью состоят из ионов и электронов. При этом степень ионизации в резуль тате неупругих столкновений между электронами и молекулами или, соответствен но, атомами составляет обычно всего от 10–5 до 10–8, но высокая температура элек тронов в плазме приводит к процессам диссоциации, причем степень диссоциа ции может достигать нескольких десятков процентов [11.2]. В нормальной ситуации в плазме параллельно присутствуют электроны, ионы и нейтральные частицы. Носители положительных и отрицательных зарядов при тягиваются под действием электростатических сил и при соударениях нейтрали зуются с высвобождением энергии. В ходе таких процессов рекомбинации любая плазма бы очень быстро «умерла», если бы в силу постоянных диссоциаций не появлялись все новые и новые носители зарядов, компенсируя потери вследствие рекомбинации. Возбуждение подобных плазм происходит по причине передачи электричес кой энергии. Важным условием удерживания плазмы является наличие достаточ ного числа электронов, которые, перемещаясь в электрическом поле, сообщают энергию своего движения посредством столкновений с другими частицами в плаз ме (молекулами, атомами) [11.3]. При этом достигаются высокие температуры, необходимые для атомизации и ионизации. Для ионизации атома требуется вы полнение двух условий: наличие определенной энергия ионизации и ее приложе ние к атому. Такая энергия ионизации измеряется в электронных вольтах (эВ) и составляет для большинства элементов от 4 до 25 эВ. На роль плазменных газов выбираются относительно легко ионизируемые инертные газы – гелий или аргон. Гелий обладает очень высокой энергией иони зации порядка 24,6 эВ, а у аргона она составляет всего 15,8 эВ. При необходимо сти достаточно большого расхода газа используют, из соображений экономии, чаще всего аргон; гелий, как правило, по той же причине отвергают. Но энергии ионизации аргона для многих неметаллов не хватает, чтобы возбудить линии спек тра излучения выше легко доступного интервала длин волн 190 нм. Гелий с его очень высокой энергией ионизации подошел бы для этой цели несравненно луч ше, поскольку все элементы периодической системы возбуждаются для излуче ния в обычном диапазоне длин волн от 190 до 800 нм.

11.2. Образование плазмы Существует много разных форм плазмы, различающихся преимущественно сте пенью ионизации и энергией частиц. Для химикоаналитических целей интерес представляют лишь те плазмы, которые легко доступны, стабильны во времени, обладают разумной размерностью. Речь идет о так называемых равновесных плаз мах, у которых в результате высокой степени ионизации и большой плотности частиц происходит быстрый обмен энергией между электронами, ионами и нейт ральными частицами.

310

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Плазма может точно определяться концентрацией атомов, ионов и электро нов, а также температурой компонентов при заданном давлении. Поэтому, чтобы установить нужные для плазмы условия, приходится часто измерять температуры возбуждения, температуры ионизации и концентрацию, или плотность, электро нов. Последняя, например, обычно составляет около 1015 см–3. Электрические разряды с плазмами при атмосферном давлении введены в обиход еще со времен начала оптических эмиссионноспектральных анализов. Для элементного анализа используют три разных способа генерации плазмы, по средством которых получаются: • индуктивно связанная высокочастотная плазма, • трехэлектродная дуговая плазма постоянного тока и • СВЧиндуцированная плазма. Эти источники излучения были разработаны в 60х годах и в настоящее время предлагаются рынком в составе комплектных устройств для элементных анали зов. Благодаря высоким температурам плазмы при работе с ней возможны лишь совсем незначительные химические помехи и низкие пределы обнаружения.

11.2.1. Индуктивно связанная плазма Из всех упомянутых выше плазм индуктивно связанная высокочастотная плазма известна лучше всего. Как источник излучения в рамках плазменной эмиссион ной спектрометрии она занимает главенствующее положение. Начало в этой об ласти было положено Гринфилдом [11.4] и Фасселом [11.5] в 1962 г. В последую щие годы были созданы основы для создания представленной Фасселом в 1969 г. плазменной горелки. В 1975 г. на рынке появился первый коммерческий плаз менный спектрометр. Индуктивно связанная плазма является хорошим компромиссом с точки зре ния одновременного возбуждения почти всех важнейших элементов. Мощность в диапазоне 0,5–2,5 кВт, необходимую для образования и удерживания плазмы, дает высокочастотный генератор, в катушке которого установлена плазменная горелка. Внутри трубки подводится распыленная проба с аргоном. После включения поля высокой частоты инициируется ионизация аргона с искрой высокой плотности энергии, искрой Тесла. При этом свободные электроны выстреливаются трансфор матором Тесла в газ, в результате чего газ становится электропроводящим. Теперь плазма представляет собой нагрузку для катушки высокой частоты. Ток высокой частоты создает осевое переменное магнитное поле, которое опятьтаки воздействует на свободные электроны. Если напряженность магнитного поля до статочно высока, электроны смещаются в положение, допускающее ионизацию газа. В итоге мы получаем индуктивно возбужденную плазму. Поле высокой час тоты индуктивно передает электрическую энергию газу и нагревает его. Пока на пряженность поля не падает ниже критического уровня, плазма сохраняется, то есть образовавшиеся в результате ионизации свободные электроны, в свою оче редь, вновь ионизируют другие атомы или, соответственно, молекулы газа. Так как плазма получается из газа, ставшего проводящим, ее следует держать подальше от катушки высокой частоты, чтобы избежать коротких замыканий. Это

11.2. Образование плазмы

Тороидальная плазма

311

Около 6000 К

Температура ядра до 10000 К

Охлаждаемая водой катушка индуктивности

Плазмообразующий поток аргона Факел

Проба в виде аэрозоля

Рис. 11.2. Индуктивно связанная плазма

достигается за счет прозрачной для высокой частоты среды, в которой протекает газ. Такой средой является кварцевая или сапфировая трубка, именуемая горел кой. С целью снижения коррозии и поверхностного сопротивления (скинэффек та) индукционные катушки покрыты серебром. Все они охлаждаются водой и плот но прилегают к горелке – для обеспечения хорошей связи с плазмой и равномер ного магнитного поля (рис. 11.2). За счет правильного выбора частоты, соответствующей конструкции горелки и требуемой скорости протекания газа плазме придается тороидальная форма. Это позволяет эффективно вводить аэрозоль пробы в плазму, не нарушая ее стабиль ности. Правда, обесточенная во внутренней части плазма чувствительно реагиру ет на охлаждение, например изза мокрых аэрозолей. Образовавшийся в распы лителе аэрозоль следует вводить в плазму с очень низкой скоростью инжекции. Итак, в случае индуктивно связанной плазмы речь идет об ионизированном в электромагнитном поле высокой частоты газе, находящемся в системе кварцевых трубок. В результате частичной ионизации молекул или атомов газа и их нового объединения энергия преобразуется в теплоту. Генератором энергии при этом яв ляется присоединенный генератор высокой частоты. В зависимости от приложен ной мощности высокой частоты, в выходящей из плазменной горелки газовой смеси, так называемом плазменном факеле, достигаются температуры от 6000 до 10 000 К. При таких температурах впрыснутые в плазму жидкие или растворен ные пробы атомизируются и возбуждаются для особо интенсивного излучения света. Эти высокие температуры и долгое время жизни аэрозоля пробы (несколько миллисекунд) являются решающими факторами передачи энергии от ионизиро ванного газа в аэрозоль и, следовательно, осуществления процессов атомизации, ионизации и возбуждения.

312

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

В силу эффективной атомизации, в том числе и в случае элементов, образую щих устойчивые оксиды и карбиды, пределы обнаружения занимают в большин стве случаев некое промежуточное положение между таковыми у пламенного и графитового вариантов атомноабсорбционной спектрометрии. Впрочем, прису щие способам эмиссионной спектрометрии спектральные помехи могут стать при чиной систематических погрешностей. Они вызываются чаще всего совпадения ми аналитических линий с матричными линиями либо фоновыми помехами, свя занными с возможными изменениями интенсивности непрерывного спектра фона либо с излучением полосатых спектров. Атомноэмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой озна меновала собой несомненный прогресс, поскольку она не только функционирует безэлектродным способом, но прежде всего обладает, в силу скинэффекта, торо идальной формой плазмы с так называемым аэрозольным туннелем, а также мощ ным внешним потоком охлаждающего газа. Среди недостатков можно назвать, пожалуй, большой расход аргона, в значи тельной мере определяющий стоимостной фактор при работе атомноэмиссион ного спектрометра. Использование приборов, работающих с воздухом, предлага лось для осуществляемого в режиме реального времени контроля потоков жидко сти в крупных технологических установках. Для элементной аналитики в лабора торных условиях функционирующие с применением воздуха спектрометры, по сравнению с приборами на аргоне, подходят меньше, так как обладают значи тельной более низкой обнаружительной способностью.

11.2.2. Трехэлектродная плазма постоянного тока Наряду с индуктивно связанной плазмой, в области элементного анализа жидких проб неплохо зарекомендовала себя также трехэлектродная плазма постоянного тока. Но эта токопроводящая плазма находится под сильным влиянием легко ионизируемых элементов, поэтому в присутствии щелочных металлов здесь про являются значительные матричные эффекты [11.6]. Трехэлектродная плазма постоянного тока генерируется двумя графитовыми анодами и одним вольфрамовым катодом. Электроды, несколько сдвинутые на зад, располагаются в керамических гильзах и обдуваются аргоном. С целью зажи гания электроды пневматически выдвигаются из гильз, а катод опускается. После короткого замыкания с одним анодом электрическая дуга растягивается, причем происходит позднее зажигание только второго анода. Подача аэрозоля осуществ ляется через центральную трубку для пробы и полностью отделена от подачи газа и генерации плазмы (рис. 11.3). Свойства трехэлектродной плазмы постоянного тока частично близки свой ствам обесточенных плазм, каковой является индуктивно связанная плазма. Сама плазма является токопроводящей и, следовательно, энергетически очень стабиль на. Оптимальная зона возбуждения находится точно под тем местом, где соеди няются два столба электрической дуги, и она в этом месте обесточена. Температу ра плазмы составляет 15 000 К, температура зоны возбуждения 6000 К. Так как возбуждение чисто термически происходит вне токопроводящей плазмы, то по лучают спектр с меньшим фоном, чем при индуктивно связанной плазме.

11.2. Образование плазмы

Катодный блок

313

Плазма

Вольфрамовый катод Керамические гильзы

Графитовые аноды

Анодный блок

Анодный блок

Аэрозоль пробы

Рис. 11.3. Трехэлектродная плазма постоянного тока

Зона возбуждения невелика и составляет около 1 мм2, но обладает очень вы сокой светосилой; трехэлектродная плазма постоянного тока хорошо сочетается с компактным эшеллемонохроматором высокого разрешения. Обнаружительная способность такой системы весьма близка к таковой при оптической атомноэмис сионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Для некоторых эле ментов вроде бора, фосфора и мышьяка трехэлектродная плазма постоянного тока гарантирует самую высокую чувствительность обнаружения. В случае трехэлектродной плазмы постоянного тока работа нередко ведется с более высокими концентрациями солей, чем это имеет место при индуктивно свя занной плазме. Дело в том, что, хотя первая в спектроскопическом отношении изучена меньше, чем вторая, она уже имеет на своем счету коммерческие предло жения на уровне аналитической техники и достаточно часто используется имен но в тех областях, где особенно важны указанные выше преимущества (производ ство высоколегированных сталей, геология, контроль состава нефти и масел, ана лиз сыворотки, морской воды и проч.).

11.2.3. СВЧиндуцированная плазма На фоне очень успешного продвижения индуктивно связанной плазмы несколь ко отошла в тень плазма, индуцированная микроволнами. В случае СВЧплазмы речь идет о безэлектродном разряде, возбуждаемом в большинстве случаев с час тотой 2,4 ГГц и мощностью от 40 до 200 Вт [11.7]. Основным достоинством такого возбуждения является малый расход газа – всего 1 л/мин. При столь низком рас ходе газа будет финансово оправдано даже применение гелия, с которым можно проводить измерения галогенов фтора и хлора, серы и фосфора в нормальной, невакуумной, УФобласти [11.8].

314

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Настроечный стержень и ввод микроволн Охлаждающий газ

Присоединение микроволн

Плазма

Объемный резонатор

Поток газообразной пробы

Рис. 11.4. СВЧиндуцированная плазма

Первоначально СВЧиндуцированная плазма находила применение только при пониженном давлении. С тех пор как удалось использовать ее при атмосфер ном давлении и с низкой мощностью, такой тип плазмы стал интересен и для спектрохимических анализов [11.9]. Такая плазма создается в кварцевой трубке диаметром в несколько миллиметров, через которую протекает гелий или аргон и которая находится в цилиндрическом объемном резонаторе. Сверхвысокая час тота 2,45 ГГц вводится в этот объемный резонатор (рис. 11.4). СВЧиндуцированная плазма особенно удобна для возбуждения сухих аэро золей, то есть анализируемые вещества должны быть представлены по возможно сти в газообразной форме. Это относится, естественно, и к другим плазменно эмиссионным методам, например с индуктивно связанной плазмой. Поскольку СВЧиндуцированная плазма изза малого потребления мощности и небольших размеров довольно чувствительно реагирует на изменения состава газа, то она рекомендуется в первую очередь для исследований малых объемов проб, какие бывают при испарении из графитовой трубчатой печи, в гидридной технике или при использовании в качестве элюента в газовой хроматографии [11.10]. Сочетание газового хроматографа с СВЧиндуцированной плазмой дает в итоге многоэлементный детектор. Здесь особенно удобна гелиевая СВЧплаз ма, поскольку с этим инертным газом хорошо определяются даже, что очень важно, неметаллические элементы [11.11]. При этом на каждый выбранный эле мент может регистрироваться собственная хроматограмма. Такой способ обнару жения отличается элементной специфичностью и в значительной мере не зави сит от типа вещества. Путем корреляции полученных резких максимумов можно рассчитать для каждого периода удерживания элементный состав вещества. В на стоящее время существуют коммерческие варианты интегральных систем, вклю чающих в себя газовый хроматограф, СВЧиндуцированную плазму и подходя щий спектрометр.

11.3. Состав атомноэмиссионого спектрометра с ИСП

315

Следует также подчеркнуть, что в тороидальной СВЧиндуцированной плазме высокой мощности могут возбуждаться мокрые аэрозоли, так что можно ожидать разработок новых детекторов для жидкостной хроматогрофии [11.12]. И все же в целом пределы обнаружения здесь хуже, чем при индуктивно связанной плазме, да и матричных эффектов в присутствии щелочных металлов несомненно больше.

11.3. Состав атомноэмиссионого спектрометра с ИСП Атомноэмиссионная спектрометрия с возбуждением индуктивно связанной плаз мы (ИСП) среди аналитических методов со всеми прочими видами плазмы пред ставляется наиболее удобной для пользователя. ИСПспектрометры сочетают в себе типовые конструкционные элементы атомноабсорбционных спектральных приборов (распылитель, распылительную камеру и систему горения) и компо ненты оборудования из сферы эмиссионной спектрометрии, а именно дифрак ционного спектрометра высокого разрешения. Аппаратура ИСП включает в себя преимущественно три отдельных узла: • генератор высокой частоты с блоком электропитания и катушкой индук тивности, • систему горелок с распылителем и блоком газоснабжения, • высокоэффективный монохроматор. Необходимо учитывать и некоторые другие важные аспекты при использова нии ИСП, как то: фактический уровень мощности высокой частоты на катушке индуктивности и применение «более холодного» газа в качестве охлаждающей обо лочки. Среди прочих факторов можно назвать также механическую гибкость всей системы горелок в направления x/y/z, необходимую для подгонки к внешней оп тической системе. Спектрометры одновременного и последовательного действия, используемые в начальный период развития оптической атомноэмиссионной спектрометрии с ИСП, разрабатывались преимущественно для искровой эмиссионной и атомно абсорбционной спектрометрии. Классическая оптическая эмиссионная спектро метрия с электрической дугой и искрами активно вытеснялась спектрометрией растворов с плазмами. С учетом стабильной подачи проб и генерации устойчивого сигнала, оптичес кая атомноэмиссионная спектрометрия с ИСП может успешно проводиться со спектрометрами как одновременного, так и последовательного действия. При од новременном измерении отмечается короткое время анализа на каждый элемент и высокая точность при использовании стандартных образцов, но зато здесь не возможен свободный выбор элементов и аналитических линий, что требуется, на пример, в случае изменений объемов загружаемой пробы.

11.3.1. Генератор высокой частоты Генератор высокой частоты подает на ВЧкатушку электрическую мощность оп ределенной частоты. Большинство высокочастотных генераторов функциониру

316

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

ют с кварцевой стабилизацией частоты 27,12 МГц – это исходная частота ИСП1. Отдаваемая мощность может регулироваться и составляет от 0,7 до 2,5 кВт [11.13]. Плазма прибывает примерно пропорционально мощности. Расход аргона при этом достаточно высок – от 10 до 15 л/мин, и ежегодные затраты на него весьма значи тельны. Несмотря на большое потребление мощности ИСПспектрометрами, доля расходов на электроэнергию все же не столь существенна. Важнее тот факт, что ИСПспектрометр отдает много тепла. Поэтому, как и при пламенной атомно абсорбционной спектрометрии, здесь требуется собственная надежная вытяжка. С возрастанием частоты генератора понижается концентрация электронов, рав но как и температура плазмы. Но одновременно в квадратичной форме ослабевает фон, а с ним и непрерывный спектр аргона. Результатом этого является лучшее от ношение сигнал/шум и, следовательно, более благоприятный предел обнаружения. Поэтому в ИСПспектрометрах отмечается тренд перехода к генераторам более высокой частоты – от 40 до 50 МГц. Повышенная частота дает более благоприят ный КПД при возбуждении протекающего газа, что позволяет уменьшить поток аргона и снизить шум от непрерывного спектра фона. Слишком высокая частота, выше 60 МГц, приводит тогда к заметному падению температуры плазмы и, значит, к усиленному влиянию матрицы, как при атомноабсорбционной спектрометрии. Удачным компромиссным решением для достижения хороших пределов обнару жения при ничтожном воздействии матрицы считается частота 40,68 МГц [11.14]. Следует заметить, однако, что при этих повышенных частотах приходится принимать более действенные меры по экранированию и максимально строго соблюдать действующие правила техники безопасности. Четвертьволновая длина 40 МГц составляет примерно 1,88 м и, значит, тем опаснее, чем настойчивее люди стремятся получить правильный размер для «четвертьволновой антенны». При частоте 27,12 МГц ситуация не столь критична, поскольку четвертьволновая дли на составляет здесь 2,77 м.

11.3.2. Система плазменных горелок Наряду с высокими требованиями к генератору высокой частоты в отношении его мощности и стабильности генерируемой плазмы, не меньшее значение имеет и система плазменных горелок. На практике распылительная камера, распыли тель и плазменная горелка (факел) образуют единый узел, хотя каждая из этих трех позиций должна выполнять свою, совершено особую задачу.

11.3.2.1. Горелки Горелки состоят из трех концентрических кварцевых трубок, размещенных в ка тушке генератора высокой частоты. Во внутренней трубке распыленная проба по током аргона перемещается в плазму (аэрозоль – газноситель). В средней трубке аргон подводится в качестве вспомогательного газа, в наружной трубке подается газ плазмы. Последний выполняет при этом как функцию плазмообразования, так и функцию охлаждения. Необходимое охлаждающее действие между очень горя чей плазмой и кварцевой трубкой достигается за счет того, что газ вблизи стенки 1

27,12 и 40,68 МГц – это разрешенные частоты для промышленного применения. – Прим. ред.

11.3. Состав атомноэмиссионого спектрометра с ИСП

317

имеет столь высокую скорость течения, что он не может ионизироваться либо иони зация возможна только при очень большой мощности высокой частоты1. Плазма есть относительно плотная среда. В результате выбора определенных условий (частота, конструкция горелок и скорость газа) плазма приобретает то роидальную форму. Осевая зона при этом оказывается прохладнее, чем окружаю щее кольцевое пространство. Причиной такой тороидальной структуры является так называемый скинэффект, действующий таким образом, что ток высокой ча стоты постоянно концентрируется с наружной стороны проводника. Если по ток газа диаметром 1–2 мм направить на середину плазмы, то он пробьет в плазме «туннель» с малой расходимостью, не нарушая стабильность плазмы. Благодаря этому создается возможность эффективного ввода аэрозолей в плазму: при отсут ствии тороидальной структуры поток пробы большей частью проходил бы снару жи плазмы, не оказывая достаточного возбуждающего действия. Длина подобно го туннеля и достигаемое при этом время жизни аэрозоля в плазме определяется мощностью высокой частоты и количеством плазмы. Итак, тороидальная структура ИСП обеспечивает высокую эффективность ввода аэрозоля в плазму, улучшая тем самым предел обнаружения. Осевое ядро плазмы имеет обычно температуру порядка 6000–8000 К. Высокие температуры в туннеле и долгое время жизни пробы (в течение нескольких миллисе кунд) есть решающие факторы эффективности передачи энергии от ионизирован ного газа на пробу и, следовательно, достижения атомизации, ионизации и возбуж дения. В то время как элементы с малой энергией возбуждения, например щелочные и щелочноземельные металлы, атомизируются и ионизируются уже при 0,3–0,5 кВт, для других элементов, например бора и фосфора, требуется энергия выше 2 кВт. Плазма, подобно пламени, существует внутри катушки и над ней. Над плаз менным туннелем проба перемещается в зону, расположенную выше ВЧкатуш ки. Часть плазмы, находящуюся выше катушки, иногда называют «хвостом»2. Здесь тороидальная структура плазмы постепенно исчезает, и плазма приобретает фор му «пламени»: оно и используется в целях спектроскопических исследований. Для получения достоверных результатов позиционирование осуществляется эмпири ческим путем с точно такими же данными мощности и скорости протекания газа, которые предстоит использовать позднее (рис. 11.5). Для измерений излучения наиболее благоприятной оказалась высота наблю дения на 10–20 мм выше ВЧкатушки. Полученное излучение наблюдается, как правило, в осевом направлении, то есть свет с помощью кварцевой линзы, разме щенной перпендикулярно оси плазмы, фокусируется на входной щели спектро метра высокого разрешения3. 1

Эффективное охлаждение кварцевой трубки и стабилизация пространственного поло жения плазменного факела осуществляется созданием с помощью конструкции горелки тангенциального потока аргона. – Прим. ред. 2 «Хвост» – верхняя часть плазменного факела, расположенная выше 20–25 мм над высоко частотной катушкой, т.е. выше нормальной зоны возбуждения и наблюдения. – Прим. ред. 3 Отбор излучения в современных приборах осуществляется и в осевом и в радиальном направлениях. – Прим. ред.

318

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

2000 К, атомные линии с низкой энергией возбуждения 4000 К, атомные линии с высокой энергией возбуждения 6000 К, ионные линии 10 000 К

Катушки индуктивности

Рис. 11.5. Температурные зоны в плазме

Но, наряду с высокими температурами и долгим временем жизни, немало важное значение имеет еще и химическое окружение. Ведь в каждом пламени бывает относительно высокое парциальное давление кислорода или азотных со единений, приводящее к тому, что элементы, имеющие сродство к кислороду, в обычном для атомноабсорбционной спектроскопии пламени атомизируются не до такой степени, как это можно было бы ожидать при данной температуре. Эти элементы (например, щелочноземельные металлы, лантаноиды, бор, кремний) нередко образуют с пламенными газами окислы или гидроксильные радикалы, которые дальше уже не диссоциируются. Напротив, плазма состоит сначала только из инертного газа аргона, а кисло род в совсем малом объеме появляется лишь в результате диссоциации привне сенной с пробой воды. Таким образом, здесь имеет место довольно низкое парци альное давление кислорода, и образование окислов практически невозможно. По этому в ИСП вполне эффективно могут атомизироваться даже элементы с высо ким сродством к кислороду. Горелки изготовляются обычно из кварцевого стекла или из других, прозрач ных для высокой частоты материалов, например корунда либо сапфира. В отно шении горелок из кварцевого стекла необходимо заметить, что при высоких тем пературах кремний испаряется, что может стать причиной искажения излучений проб. Окись алюминия более устойчива и обычно предпочитается кварцу. Отно сительно новым материалом является здесь сапфир, отличающийся более высо кой стойкостью к температурным деформациям и смене температур1.

11.3.2.2. Разные режимы работы В поле индукции ионизируются преимущественно атомы аргона, находящиеся в центре плазмы, в то время как быстрый поток газа, протекающий вдоль наружной трубки, берет на себя функцию охладителя. При мощностях выше 2 кВт ионизиру ется и быстро протекающий газ, а температура столь высока, что кварцевая трубка 1

Корунд и сапфир используются в некоторых случаях для изготовления отдельных дета лей горелок. – Прим. ред.

11.3. Состав атомноэмиссионого спектрометра с ИСП

319

Аргон в качестве охлаждающего и плазменного газа

Аэрозоль и газ/носитель

Рис. 11.6. Аргоновая горелка

начинает плавиться. Охлаждающим газом может быть аргон или азот, что задает разные режимы работы с ИСП при использовании следующего оборудования: • аргоновая горелка, • аргонаргоновая горелка и • аргоназотная горелка. В аргоновой горелке аргон используется в качестве как плазменного, так и охлаждающего газа (рис. 11.6). Рюмкообразная внутренняя трубка обеспечивает сначала подпор газа, а потом уже высокое ускорение вдоль внутренней стороны наружной трубки. Такая система с особыми гидродинамическими свойствами способствует тому, что находящиеся в зоне завихрения атомы газа первыми за хватываются полем индукции, в то время как более быстрые частицы выполняют вдоль наружной трубки функцию охлаждения. Но с повышением мощности вы

Аргон в качестве охлаждающего и плазменного газа

Аргон как вспомогательный газ Аэрозоль и газ/носитель

Рис. 11.7. Аргонаргоновая горелка

320

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

сокой частоты ионизируются и эти быстрые атомы газа. Максимальная мощность для аргоновой горелки составляет поэтому менее 2 кВт. Также и в аргонаргоновой горелке газ плазмы играет роль охладителя (рис. 11.7). При этом он поддерживается вторым потоком аргона, который называют также вспомогательным газом. Такая система находит применение главным образом в анализах органических растворов. При исследовании водных растворов наличие вспомогательного газа не требуется. В случае органических растворов необходи мо принимать в расчет некоторые особенности. Изменение индуктивности в ка тушке приводит, при наличии неводного растворителя, к сбою настройки коле бательного контура. С понижением мощности высокой частоты рассогласование усиливается, в связи с чем падает температура плазмы. При этом можно наблю дать увеличение интенсивности атомных линий и одновременное уменьшение интенсивности ионных линий одного и того же элемента в водном растворе. В самом неблагоприятном случае это может привести к погасанию плазменного пламени, поэтому для органических растворителей рекомендуется выбирать ге нераторы особенно высокой мощности. В аргоназотной горелке в качестве охлаждающего газа служит азот, а аргон используется исключительно как плазменный газ и газноситель (рис. 11.8)1. Азот в роли охлаждающего газа действует весьма эффективно. Он не ионизируется индуктивным полем, а оказывает обволакивающее действие относительно арго новой плазмы. Если аргон в значительной мере ионизируется, азот остается прак тически незатронутым мощностью высокой частоты. При этом охлаждающий газ полностью выполняет свою функцию и создает возможность любого увеличения энергии в плазме путем повышения мощности высокой частоты. Таким образом, мощность можно спокойно повышать до 10 кВт – без риска разрушения кварцевой

Азот в качестве охлаждающего газа

Аргон в качестве плазменного газа Аэрозоль и газ/носитель

Рис. 11.8. Аргоназотная горелка 1

В коммерческих приборах такие горелки не используются. – Прим. ред.

11.3. Состав атомноэмиссионого спектрометра с ИСП

321

Òàáëèöà 11.1. Òèïîâûå ðàáî÷èå ïàðàìåòðû ðàçíûõ ïëàçìåííûõ ãîðåëîê Òèï ãîðåëêè Àðãîí

Àðãîí/àðãîí

Àðãîí/àçîò

0,5–2,0 êÂò 12 ë/ìèí

0,5–2,0 êÂò 12 ë/ìèí

0,5–10 êÂò 5–10 ë/ìèí

Àðãîí êàê âñïîìîãàòåëüíûé ãàç

–

1–3 ë/ìèí

–

Àçîò êàê îõëàæäàþùèé ãàç

–

–

15–20 ë/ìèí

Ìîùíîñòü âûñîêîé ÷àñòîòû Ïëàçìåííûé ãàç Àðãîí êàê îõëàæäàþùèé ãàç

–

горелки. При этом обволакивающий эффект со стороны азота действует на удер живание плазмы, повышая ее плотность, температуру и эффективность. Объем плазменного газа и мощность высокой частоты имеют решающее значе ние для развития плазмы и ее высоты. Однако и обволакивающий эффект охлажда ющего газа (азота) определяет высоту плазмы, не изменяя энергию в самой плазме. Отсюда следует, что уровень измерения оптимально устанавливается на заданный расход газаносителя, а с ним и на уровень ионизации. В отличие от работы в режи ме аргона или аргонааргона, в случае применения аргона и азота измерение про водится выше уровня ионизации аргона. Это приводит к тому, что богатый линия ми спектр аргона не проявляется в виде фона или перекрытия. В табл. 11.1 приведе ны типовые рабочие параметры для разных плазменных горелок. Между тем провести сравнение пределов обнаружения при разных рабочих ре жимах не так просто. При работе с аргоном и азотом требуются в большинстве слу чаев более высокие мощности генератора для достижения сравнимой ионизации элементов, чем при работе только с аргоном либо с аргономаргоном. В отношении возбуждения плазмы обычно действует такой порядок, что собственное излучение рабочего газа и растворителя в качестве фонового излучения не должно наклады ваться на используемые спектральные линии. С аргоном в качестве рабочего газа возникают только полосы ОН, в то время как при азоте добавляются еще и некото рые полосы молекул N2+ и N2. Полосы ОН при использовании водных систем могут быть подавлены только при условии достаточно хорошей десольватации.

11.3.2.3. Распыление Чтобы жидкую пробу поместить в плазму, ее надо сначала разбить на очень мелкие капли, то есть перевести в состояние аэрозоля. Крупные капли не должны попа дать в плазму, так как это плохо сказывается на ее стабильности и результирующем аналитическом сигнале. Путь от пробы до плазмы можно условно разделить на три фазы: транспортировка жидкости, распыление и транспортировка аэрозоля. Рас пыление может осуществляться пневматическим способом или ультразвуком, при чем для пневматического распыления в качестве перемещающей среды требуется рабочий газ. При перемещении жидкости или используют эффект Вентури рабоче го газа (то есть свободное всасывание), или подают пробу к распылителю с помо щью насоса перистальтического действия. В то время как при пневматическом рас пылении газ распылителя применяется также для перемещения аэрозоля к плазме, в случае работы с ультразвуковым распылителем вводится газноситель, чтобы про двигать образованный ультразвуковыми волнами аэрозоль.

322

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Распыление и подача раствора пробы есть решающие факторы при определе нии элементов. Задача распылителя состоит в создании как можно более тонкого аэрозоля. Такой аэрозоль следует получать по возможности с малым расходом газаносителя, чтобы добиться долгой жизни распыленных долей пробы в плазме. С другой стороны, скорость всасывания пробы не должна быть слишком высо кой. Мощность генератора плазмы и конструкция плазменного факела определя ются небольшим объемным расходом пробы в минуту: при снятии этого ограни чения может оказаться под вопросом стабильность плазмы. Итак, для достижения благоприятных условий возбуждения расход газаноси теля должен быть ограничен примерно 1 л/мин, а расход пробы – примерно 3 мл/мин. Помимо прочего, не все подлежащие анализу пробы обладают одинаковыми свойствами. Существуют водные и органические растворы, растворы с высоким солесодержанием или плавиковые кислые растворы, для которых обычно требу ются специальные распылительнофакельные системы. На первых порах использовались распылители, позаимствованные из области атомноабсорбционной спектроскопии, которые поначалу давали совершенно не удовлетворительные результаты. При работе с индуктивно связанной плазмой они обнаруживали тот недостаток, что проба при относительно высокой доле газано сителя распылялась с его скоростью 3 мл/мин и более. По причине столь высокой скорости газа в капиллярной трубке плазменной горелки время жизни пробы в плаз ме сокращалось и, следовательно, снижался тепловой КПД. Побочное действие этих распылителей выражалось в том, что атомная эмиссия для ряда элементов осуще ствлялась в разных зонах над плазмой, что потребовало обязательной развертки уровня измерения по растру перед входной щелью спектрометра. И только концентрический стеклянный распылитель Майнгарда оказался весьма удачным для проведения анализов с ИСП. Это был универсальный распы литель, функционирующий по принципу самовсасывания (рис. 11.9). Подобная концентрическая конструкция обеспечивает скорость всасывания от 1 до 3 мл/мин при расходе газаносителя 1 л/мин, производя впрыск в небольшую распылитель ную камеру относительно отбойного шарика. КПД распыления находится здесь на уровне 5%. Во избежание образования мертвого объема тонкий шланг можно

Раствор 1 – 3 мл/мин

Стеклянный корпус

Капиллярная трубка

Газ/носитель, 1 л/мин

Рис. 11.9. Распылитель Майнгарда

11.3. Состав атомноэмиссионого спектрометра с ИСП

323

Газ/носитель, 1 л/мин

Раствор, 0,5–3 мл/мин

Рис. 11.10. Распылитель с поперечным потоком

вводить во всасывающую трубку, достигающую непосредственно капиллярной трубки распылителя. Мертвый объем снижается на 80%, а период всасывания со кращается, пока проба не попадает в плазму. При этом уменьшается и расход про бы. В принципе этот стеклянный распылитель действует как любой другой пнев матический распылитель, с той лишь разницей, что он не подлежит настройке и, кроме того, требует высокого напора газа около 10 бар. Распылитель с поперечным потоком также работает по пневматическому принципу (рис. 11.10). При этом газноситель (аргон) проходит через рубиновую пластинку с узким отверстием диаметром всего 0,2 мм. В правом ее углу через платиновую капиллярную трубку всасывается раствор пробы, который распыля ется и попадает в плазму. Оба капилляра установлены с возможностью регулиров ки и могут быть оптимально настроены на имеющиеся плазменные условия. При объемном расходе газаносителя 1 л/мин всасывается в зависимости от диаметра капиллярной трубки от 0,5 до 2 мл пробы в минуту. Растворы с солесодержанием до 10% могут распыляться без опасности закупорирования. С помощью насоса перистальтического действия можно еще соответствую щим образом повысить объемный расход пробы1. Такой распылитель пригоден для любого ИСПспектрометра и отличается высокой чувствительностью обна ружения и простым обслуживанием. Распылители, действующие по принципу Бэбингтона, позволяют, помимо прочего, осуществлять распыление суспензий и растворов с очень высоким со лесодержанием. Причем опасность закупорирования здесь очень мала. Хотя та кое (Vобразное) исполнение, на первый взгляд, напоминает распылитель с по перечным потоком, он функционирует не по пневматическому принципу. Снача ла проба подводится к капилляру, после чего она продолжает течь самостоятель но по Vобразному контуру (рис. 11.11). В этом процессе проба со скоростью примерно 5 мл/мин попадает в капилляр газаносителя. Здесь она захватывается потоком газа и распыляется2. Несколько меньший КПД с лихвой компенсируется 1

Использование перистальтических насосов стабилизирует расход растворов проб с раз личающимися физическими свойствами. – Прим. ред. 2

Т.е. это пневматический распылитель. – Прим. ред.

324

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами Газ/носитель, 1 л/мин

Раствор, около 5 мл/мин

Рис. 11.11. Vобразный распылитель

достигаемой высокой концентрацией раствора1. Путем установки платиновой сет ки в потоке аэрозоля можно еще поднять эффективность распылителя. Из всех перечисленных выше типов систем распыления максимальный КПД обеспечивается все же ультразвуковым распылителем. Здесь раствор пробы тоже забирается насосом и по капиллярной трубке направляется прямо к размещенной внутри распылительной камеры пластине, вибрирующей с ультразвуковой часто той (рис. 11.12). При этом в плазму попадает гораздо больше материала пробы, что дает значительное повышение чувствительности обнаружения. Поток газаноси теля со скоростью около 1 л/мин несет теперь мельчайшие капли в плазму и дости гает здесь интенсивности, в 10 раз превосходящей интенсивность пневматических распылителей. Ультразвуковые распылители создают чрезвычайно тонкие аэрозо ли и обладают столь высоким КПД, что плазма при этом сильно охлаждается вод ными пробами. Поэтому для достижения пределов обнаружения ниже, чем в слу чае пневматических распылителей, аэрозоль перед возбуждением в индуктивно свя занной плазме должна быть обезвожена. Это осуществляется путем выпаривания капель в нагревательном элементе, к которому примыкает блок конденсации [11.15].

Газ/носитель, 1 л/мин

Раствор, К плазме от 1 до 3 мл/мин

Ультразвуковой вибратор Слив

Рис. 11.12. Ультразвуковой распылитель 1

Распылитель Бабингтона обладает высоким коэффициентом полезного действия. – Прим. ред.

11.3. Состав атомноэмиссионого спектрометра с ИСП

325

Как и при атомноабсорбционной спектрометрии, гидравлический распыли тель высокого давления в случае оптической атомноэмиссионной спектромет рии с индуктивно связанной плазмой является альтернативой классическому пнев матическому и ультразвуковому распылению. С помощью обычного насоса из области высокоэффективной жидкостной хроматографии, используемого для со здания постоянного высоконапорного потока жидкости, а также относящегося сюда вентиля из той же серии, проба подводится к специальному распылительно му соплу, которое заменяет собой распылительную камеру. Никакого газа для рас пыления здесь не требуется. Под действием высокого давления хорошо распыля ются даже насыщенные солевые растворы. Улучшается стабильность базовой ли нии, поскольку в плазму непрерывно поступает раствор, что исключает какие либо изменения базовой линии при смене пробы. На основе методики поточной инжекции могут выполняться разбавления и стан дартные добавки разного рода. С помощью ионообменных колонок достигается концентрирование следовых веществ и, соответственно, отделение матрицы.

11.3.2.4. Распылительная камера Если задачей распылителя является как можно более тонкое распыление аэрозоля, то распылительной камере уготована роль фильтра для образовавшихся аэрозоль ных капель (рис. 11.13). Она служит, в частности, для осаждения слишком крупных капель жидкости, способных отрицательно сказаться на стабильности плазмы. Бо лее 90% объема подсосанной пробы вновь осаждается в распылительной камере, стекая затем по сливному шлангу. В плазму попадает всего 5–8% распыленного ве щества. Такой КПД соответствует производительности других распылительных си стем и является типичным для пневматического принципа распыления.

Плазменная горелка

Колпачок Распылитель

Распылительная камера

Слив

Рис. 11.13. Плазменная горелка с распылителем и распылительной камерой

326

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Первая распылительная камера, созданная Скоттом и Фасселом в США, с некоторыми вариациями продолжает использоваться до сих пор. Она может быть выполнена из стекла, тефлона или иных пластиков, например из райтона – плас тмассы с хорошей смачивающей способностью. Камера закрывается колпачком с находящимся в нем распылителем, и представляет собой двойной цилиндр с за мечательным фильтрующим действием1.

11.3.2.5. К вопросу о снижении расхода аргона Недостатком ИСП со времен ее внедрения всегда считался относительно боль шой расход аргона. Размеры факела ИСП были установлены еще Фасселом и Грин филдом и принципиально не изменились до сегодняшнего дня. Фассел работал в режиме аргонаргона, внутренний диаметр наружной кварцевой трубки состав лял при этом около 18 мм. У аргоназотного факела, используемого Гринфилдом, диаметр были примерно 28 мм. Эти размеры обуславливают высокую скорость течения аргона – 15 л/мин. При сокращении потока охлаждающего газа не ис ключена опасность того, что горелки начнут плавиться. Уменьшая мощность вы сокой частоты, можно добиться снижения расхода газа, но это отрицательно ска жется на аналитической эффективности и общей стабильности метода. Форма ИСП первично определяется геометрией горелки и расходами газа, вторично – формой ВЧкатушки и высокой частотой. В целях сокращения расхода охлаждающего газа придется уменьшить размеры горелки. Для меньшей горелки требуется и меньшая мощность высокой частоты. С по мощью ряда незначительных модификаций конструкции горелки удается снизить расход охлаждающего газа. Неплохо зарекомендовала себя в этом смысле система кварцевых трубок для плазмы с низким расходом аргона до 6 л/мин, работающая с мощностью до 600 Вт. Дальнейшее понижение мощности и расхода газа однозначно плохо сказывается на эксплуатационной стабильности ИСП в повседневной работе. Наряду с этим, многие производители настойчиво предлагают стандартные ИСП системы более крупных размеров, обладающие повышенной надежностью, функци онирующие с мощностью от 1 до 2,5 кВт и с расходом газа порядка 10–15 л/мин.

11.4. Оборудование для работы с ИСП ИСП с 1964 г. активно использовалась для возбуждения в области эмиссионной спектрометрии и получила широкое распространение в многочисленных лабора ториях с самыми разными аналитическими задачами. С течением времени при меняемое для указанной цели оборудование, безусловно, развивалось и совершен ствовалось, в противном случае техника ИСП не оставалась бы столь популяр ной. Сегодняшние требования к современным ИСПспектрометрам состоят преж де всего в возможности эффективной автоматизации, позволяющей сократить численность обслуживающего персонала и обеспечивающей работу приборов на полную мощность даже по ночам. 1

Техническое название – распылительная камера двойного прохождения или камера Скот та. – Прим. ред.

11.4. Оборудование для работы с ИСП

327

Критерии выбора ИСПспектрометров, в общем, давно известны, и рынок предлагает устройства на основе примерно следующей классификации: • по принципу измерения: приборы последовательного, одновременного и комбинированного действия; • по интервалу длин волн: приборы для УФ/УФ в вакууме, УФ, УФ/види мой и вакуумной УФ/УФ/видимой областей спектра; • по разрешению: с высоким разрешением (< 0,005 нм) или низким разреше нием (> 0,01 нм); • по максимальной мощности высокой частоты: < 1,5 кВт, < 2,5 кВт, > 2,5 кВт; • по используемому газу плазмы: Ar/Ar, N2/Ar, O2/Ar или другие генератор ные газы. Из основных узлов ИСПсистемы важнейшим является диспергирующий эле мент, поскольку он непосредственно определяет качество и правильность выпол няемого аналитического исследования. Если спектрометр обладает плохим раз решением, это не удастся компенсировать ни эффективным возбуждением, ни наличием прекрасного детектора. Так как при плазменном возбуждении речь идет об атомноэмиссионном методе, то к диспергирующему элементу предъявляются чрезвычайно высокие требования. В отличие от атомноабсорбционной спектро скопии, при которой узкая и специфичная для конкретного элемента спектраль ная линия лампы с полым катодом отодвигает разрешающую способность опти ческой системы на задний план, при ИСП селекция по элементам осуществляет ся единственно и исключительно через оптику. Поэтому дооснащение имеющих ся атомноабсорбционных спектральных приборов блоком ИСПвозбуждения невозможно уже по причине недостаточного разрешения атомноабсорбционных спектрометров. В атомноэмиссионной спектрометрии может успешно использоваться также область спектра УФ в вакууме ниже 190 нм. Для этого стоит лишь позаботиться об обдуве диспергирующего элемента инертным газом. Тогда многие неметаллы, име ющие линии излучения в этой спектральной области, например сера и фосфор, будут, в отличие от атомноабсорбционной спектрометрии, вполне пригодны для аналитического определения. Наряду с этими основополагающими параметрами оборудования, особое зна чение приобретают функции приборов с точки зрения качества анализа, его про текания и связанных с ним затрат. Здесь имеются в виду: воспроизводимость и правильность результатов, скорость хода анализа, уровень сложности обслужива ния, вариабельность программ обработки данных, общие эксплуатационные рас ходы и, наконец, стоимость собственно анализа. Чтобы гарантировать точность результатов также в автоматизированном ночном режиме работы, требуется соот ветствующее, специально разработанное, программное обеспечение [11.16]. Необходимо четко разделять спектрометры одновременного и последователь ного действия, различающиеся своим диспергирующим элементом (см. табл. 11.2). В случае приборов второго поколения речь идет о комбинированных (одновре менных + последовательных) устройствах совершенно новой концепции. «Серд цем» таких спектрометров является эшелле, отличающаяся высоким качеством

328

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Òàáëèöà 11.2. Ðàçíûå îïòè÷åñêèå ñèñòåìû ÈÑÏ-ñïåêòðîìåòðîâ Äèñïåðãèðóþùèé ýëåìåíò

Ôóíêöèÿ

Ïðèìåíåíèå

Ïëîñêàÿ äèôðàêöèîííàÿ ðåøåòêà

Ìîíîõðîìàòîð

Îïðåäåëåíèå îòäåëüíûõ ýëåìåíòîâ è ïîñëåäîâàòåëüíîå îïðåäåëåíèå ìíîãèõ ýëåìåíòîâ

Âîãíóòàÿ äèôðàêöèîííàÿ ðåøåòêà

Ïîëèõðîìàòîð

Îäíîâðåìåííîå îïðåäåëåíèå ñðàçó íåñêîëüêèõ ýëåìåíòîâ

Ýøåëëå

Ìîíîõðîìàòîð è ïîëèõðîìàòîð

Îäíîâðåìåííîå è ïîñëåäîâàòåëüíîå îïðåäåëåíèå ìíîãèõ ýëåìåíòîâ

отображения, малым рассеянием, прекрасным спектральным разрешением и боль шой силой света.

11.4.1. Эмиссионные ИСПспектрометры последовательного действия Здесь речь пойдет о замкнутой аналитической системе, в которой измерение эле ментов осуществляется последовательно, то есть поочередно друг за другом. Важ нейшим узлом такой системы является сам плазменный возбудитель, соединен ный спектральным фотометром с монохроматором высокого разрешения, кото рый в простейшем варианте регулируется вручную. При определении отдельных элементов или последовательном многоэлемент ном определении используется в качестве диспергирующего элемента плоская диф ракционная решетка. У монохроматора в минимуме отклонения света находится фиксированная выходная щель, через которую посредством поворота решетки про водятся разные длины волн. Для поворота решетки служит рукоятка вращения (при определении отдельного элемента) или управляемый компьютером шаговый дви гатель (при автоматическом последовательном определении многих элементов). В область применения эмиссионных спектрометров последовательного дей ствия входит определение следового количества элементов в растворе – пример но как при атомноабсорбционной спектрометрии, но без ламп с полым катодом, веселящего газа и ацетилена, а также без ограничения в отношении поставлен ных задач. Количественный результат определяется как величина интенсивности или интегрирования. Так как при последовательных ИСПспектрометрах может быть установлена любая длина волны, достигается максимальная гибкость в отношении элементов и длин волн. На практике количественное измерение проводится после предшеству ющего качественного анализа, особенно если имеют дело с неким новым либо слож ным образцом. Критериями выбора оптимальной длины волны являются отноше ние сигнал/фон и отсутствие перекрытий линий. В этом смысле последовательный ИСПспектрометр предлагает высшую степень гибкости в сфере как научноис следовательской деятельности, так и повседневной лабораторной работы. Благодаря прямому измерению в максимуме (onpeak), приборы последователь ного действия могут достигать точности такого же уровня, как и у ИСПспектро метров одновременного действия, или даже лучше. На основе непрерывной атом ной эмиссии создается возможность и для качественного спектрального анализа, осуществляемого с использованием линейного самописца либо с помощью синх ронной автоматической подачи длин волн.

11.4. Оборудование для работы с ИСП

329

11.4.1.1. Монохроматор спектрометра последовательного действия Задачей монохроматора в оптической эмиссионной спектрометрии является вы деление аналитической линии из имеющегося мешающего излучения. Если этого не происходит, измеряется не только излучение интересующего элемента, но и сумма всех падающих через выходную щель на приемник составляющих излуче ния. Такой вид ошибочного измерения обозначают как «спектральные помехи». Чтобы избежать подобных погрешностей, требуется монохроматор с максималь но высоким разрешением. Поскольку повышенное разрешение возможно только при наличии щели небольшой геометрической ширины, то одновременно это будет означать также уменьшение поступающей на приемник лучистой энергии и повышенную опасность дрейфа. Важнейшая функция спектрометра заключается в разделении специфичных для конкретных элементов линий излучения. Это достаточно сложная задача, поскольку в результате высоких температур плазменного возбуждения возбужда ются спектры, чрезвычайно богатые линиями. Это обстоятельство, особенно при наличии высоких концентраций, обусловливает влияние многочисленных помех на интересных для анализа линиях других элементов. Так, на самую чувствитель ную для обнаружения спектральную линию кобальта при 238,892 нм воздействует интенсивная линия железа при 238,863 нм (см. табл. 11.3). С учетом этого состав ляются многочисленные спектральные таблицы и справочники с указанием воз можных мешающих линий и их интенсивностей. На фоне все возрастающих требований к качеству работы химикоаналитичес ких лабораторий пользователь вправе ожидать от производителей специального оборудования все более совершенных спецификаций. Этому противостоят есте ственные технические трудности и физические законы. В частности, наличие ог ромного числа линий в спектрах индуктивно связанной плазмы требует в высшей степени эффективных спектрометров с максимально возможным разрешением. Для большой области спектра от 170 нм до ближней ИК 900 нм1, где имеют свои линии излучения элементы типа Na, K и Li, применение однойединственной дифракционной решетки чревато большим ущербом для эффективности установ Òàáëèöà 11.3. Ïðèìåðû âçàèìíûõ ïîìåõ ýëåìåíòîâ Ýëåìåíò 1

1

Äëèíà âîëíû, íì

Ýëåìåíò 2

Äëèíà âîëíû, íì

Èíòåðâàë ìåæäó ëèíèÿìè, íì 0,010

Cd

228,802

As

228,812

Zn

205,548

Mg

202,582

0,034

Pb

216,999

Sb

217,023

0,024

Sb

231,147

Ni

231,097

0,050

Co

238,892

Fe

238,836

0,029

Co

231,160

Sb

231,147

0,013

Al

309,284

V

309,311

0,027

Be

313,042

Nb

313,079

0,037

Be

313,107

Nd

313,070

0,028

Длины волн: Na – 589,0; К – 769, 9 и Li – 670,8 нм. – Прим. ред.

330

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

ки. Вся спектральная область распределяется поэтому по двум решеткам, каждая из которых оптимизирована относительно своей части зоны. Для достижения хороших пределов обнаружения должна обеспечиваться, на ряду с высоким разрешением, еще и хорошая светосила. Пределы обнаружения могут быть улучшены только при условии малого стандартного отклонения фона. Это отклонение зависит преимущественно от горелки и генератора, вызывающих шумы флуктуаций в плазме, так называемые фликкершумы. Правда, у большин ства спектрометров светосила в УФобласти невелика, так что выход сигнала ли митируется не только фликкершумами, но и дробовым шумом. Под дробовым шумом понимается в данном случае шум от фотоумножителя при обращении фо тонов в фотоэлектроны. Дробовой шум пропорционален I . Следовательно, хорошие пределы обнару жения могут обеспечиваться лишь при оптимальном прохождении световых лучей, что опятьтаки возможно исключительно с большой шириной щели. Но благопри ятное отношение сигнал/шум достижимо лишь с малой шириной щели! Хорошее разрешение в сочетании с высоким светопропусканием становится основой для предъявления максимальных требований к монохроматору.

11.4.1.2. Разрешающая способность Оптическое разрешение монохроматора есть способность разделять две одинако во интенсивные, близко прилегающие друг к другу спектральные линии. Это оп ределение уточняется с привлечением критерия разрешения Рэлея, согласно ко торому максимум одного пика должен приходиться на минимум другого пика. Для пиков с совершенным гауссовым распределением эта величина для ∆λ в пересчете на полную интенсивность составляла бы порядка 50% (рис. 1.14). Ма тематическое же определение разрешения выражается как отношение λ/∆λ, из чего вытекает некое безразмерное число, не представляющее большого интереса для аналитика1. Для него гораздо важнее знать, способен ли прибор в достаточ ной мере разделить определенную пару (совпадающих) линий и гарантировать тем самым анализ без помех. Для исследователяпрактика величины ∆λ как по

Рис. 11.14. Оптическое разрешение по критерию Рэлея: максимум λ1 есть минимум λ2 1

Квалифицированный аналитик оперирует такими понятиями. – Прим. ред.

11.4. Оборудование для работы с ИСП

331

казателя разрешения вполне достаточно. При полуширине в несколько пикомет ров хороший ИСПспектрометр должен иметь разрешение 15 пм или более. Теоретическое разрешение дифракционной решетки описывается следующим образом:

λ/∆λ = k ⋅ n ⋅ l, где k – порядок отражения, n – число штрихов решетки на мм, l – база дифракци онной решетки. Таким образом, разрешение дифракционной решетки при заданном порядке спектра улучшается с возрастанием числа штрихов на миллиметр и увеличением ее базы. Механическая ширина щели и обратная линейная дисперсия дают ре зультирующую спектральную ширину щели. Дисперсия спектрального прибора, то есть его способность осуществлять раз ложение света разных длин волн, может выражаться как угловая либо как линей ная дисперсия. Угловая дисперсия ∆Ф/∆λ показывает изменение угла ∆Ф для раз ности длин волн ∆λ. Линейная дисперсия ∆l/∆λ соответствует интервалу между двумя линиями ∆l для разности длин волн ∆λ. Обратная линейная дисперсия есть показатель, применяемый в общей практике и являющийся функцией фокусного расстояния f: ∆λ = cos α ∆l = k ⋅ n ⋅ f

cos α – угол падения светового луча, f – фокусное расстояние.

Большое фокусное расстояние и маленькая щель, следовательно, гораздо пред почтительнее. Фокусные расстояния варьируются у спектрометров в диапазоне от 0,4 до 1 м. При большом фокусном расстоянии приборы приобретают доста точно внушительные размеры. С увеличением фокусного расстояния все более дает себя знать снижение термостойкости, что удается компенсировать лишь с помощью весьма трудоемкой стабилизации температуры. Поскольку входной и выходной углы дифракционной решетки должны быть меньше 90°, полезная спектральная область решетки уменьшается с увеличением числа штрихов. Современные голографические решетки содержат обычно 2400 штри хов на мм, причем для видимой спектральной области измерение осуществляется в первом порядке, а для УФзоны – во втором порядке спектра. Для атомноэмиссионных спектрометров обязательно нужны монохрома торы со спектральным разрешением до 0,01 нм, чтобы быстро и надежно рас познавать спектральные помехи (рис. 11.15). Только регистрация помех дает пользователю возможность прибегнуть к соответствующим способам устране ния помех. Спектральное перекрытие, но не совпадение, проявляется чаще все го как плечо в аналитической линии, когда полупики имеют разную ширину. Разрешение < 0,001 нм в области рутинной аналитики не имеет смысла, так как полуширина линий излучения составляет порядка 0,005 нм. В табл. 11.4 приведены для примера значения полуширины спектральных линий у разных элементов.

332

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Рис. 11.15. Спектральное перекрытие у аналитической линии Òàáëèöà 11.4. Ïðèìåðû ïîëóøèðèíû ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ðàçíûõ ýëåìåíòîâ ïðè îïòè÷åñêîé àòîìíî-ýìèññèîííîé ñïåêòðîìåòðèè ñ ÈÑÏ Ýëåìåíò

Äëèíà âîëíû, íì

Ïîëóøèðèíà, íì

Cd

228,802

0,005

Fe

249,653

0,006

B

249,678

0,005

W

249,748

0,005

Mg

285,213

0,007

Al

349,401

0,008

Ca

422,673

0,008

Na

588,995

0,019

У дифракционного спектрального прибора в результате дифракции света на штрихах решетки и интерференций дифрагированного света для разных длин волн возникают разные направления отображенного светового пучка. Но каждая решет ка создает определенную долю рассеянного света: чем меньше эта доля, тем эффек тивнее действие оптической системы. У решеток с нанесенными механическим способом штрихами рассеяние обусловлено преимущественно отклонениями от идеально гладкой формы штрихов (шероховатостями), а также периодическими и непериодическими неравномерностями интервалов между штрихами. У гологра фических решеток, выполненных фотографическим методом, таких неравномер ностей значительно меньше. Поэтому голографические решетки дают меньше рас сеянного света и чаще находят применение в атомноэмиссионных спектрометрах. Разрешение традиционных монохроматоров можно повысить за счет более значительных фокусных расстояний или, соответственно, более узких щелей. Но и та и другая меры имеют определенные недостатки, а именно: • малая ширина щелей становится причиной сокращения светопропускания; • удлинение фокусного расстояния отрицательно сказывается на механичес кой и термической стойкости прибора. Так, для однометрового спектро метра с выходной щелью 25 мкм достаточно погрешности настройки диф ракционной решетки всего на 0,0007°, чтобы получить снижение интенсив ности сигнала сразу на 50%;

11.4. Оборудование для работы с ИСП

333

• механический зазор и износ в ходе эксплуатации решетки приводят к тому, что большинство последовательных спектрометров вынуждены вести скру пулезный поиск с целью обнаружения пиков. Этот метод, реализация кото рого отнимает достаточно много времени, работает лишь в случае хорошо разрешенных пиков высокой интенсивности. Слабые сигналы в следовой области, как правило, не обнаруживаются. Сильные же сигналы в непосред ственной близости от измеряемых пиков могут впоследствии привести к не верной настройке и, следовательно, к ошибочным результатам измерения.

11.4.1.3. Монохроматор Черни – Тернера Оптическая конструкция монохроматора высокого разрешения основана в большин стве случаев на принципе Черни – Тернера (рис. 11.16). Типичным признаком такой компоновки является наличие двух фокусирующих зеркал, позволяющих поворачи вать решетку без изменения фокусного расстояния. Фокусное расстояние, число штрихов из расчета на миллиметр решетки, высота и ширина щели определяют в конечном итоге оптическое разрешение монохроматора. Измерение в резком макси муме линий является непреложным условием правильной следовой аналитики. Ес тественное, физическое ограничение состоит в уширении линий под действием вы соких температур факела, и причина этого кроется преимущественно в релятивистс ком эффекте Допплера и повышении давления. В зависимости от атомного веса и концентрации здесь могут достигаться величины до 0,01 нм. В связи с этим для боль шинства линий просто нереально получить поистине полноценное разделение.

11.4.1.4. ИСПаналитика в спектральном пике Первые монохроматоры конструкции Черни – Тернера предполагали ручную ус тановку спектральных линий. Конечно, подобная система обходится сравнительно недорого, но сам процесс настройки протекает медленно и тяжело. Чтобы в пол ной мере использовать высокое разрешение такого монохроматора, должны быть обеспечены точность настройки и воспроизводимость длины волны. Поэтому для данного монохроматора были разработаны системы программ ного управления, которые, однако, не всегда идеально подходили для той или иной длины волны. С обычным монохроматором возникали трудности механического

Щель

Фокусирующие зеркала

Фотоумножитель

Поворотная плоская дифракционная решетка

Щель ИСП Фокусное расстояние

Рис. 11.16. Блоксхема монохроматора по Черни – Тернеру

334

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

характера, затрудняющие прецизионную установку острого максимума (пика) спектральной линии. В случае волнового привода со шпинделем это особенно касается синусои дального движения решетки и индикации длин волн. Даже шаговый двигатель с высоким передаточным отношением не в состоянии преодолеть действующие в механике допуски. Поэтому используется обычно способ сканирующего измере ния: линия считывается с одновременным поточечным измерением интенсивно стей. В практических условиях данная функция весьма популярна, так как позво ляет абсолютную тонкую настройку также и вдоль фронта пика, обеспечивая до статочно хорошую воспроизводимость [11.17]. Фактор неопределенности при управлении процессом настройки подлинной длины волны устраняется благодаря тому, что с помощью решетки производится сначала грубая настройка спектральной линии элемента и затем уже тонкая на стройка на основе целого ряда отмеченных точек измерения по всему профилю линии. Пока пик остается в пределах это измеряемого ряда, можно, несмотря на неопределенность первой точки измерения, вычислить истинную интенсивность максимума. С этой целью используют: • поворотную преломляющую пластину из кварца и • компьютеризированный поиск спектральных линий. Поворотная преломляющая кварцевая пластина предлагает простой оптичес кий способ решения рассматриваемой проблемы (рис. 11.17). В ходе лучей моно хроматора перед выходной щелью помещается поворотная, вертикально стоящая, так называемая преломляющая кварцевая пластина, которая, в соответствии с ее толщиной от 2 до 5 мм и установленным углом относительно хода лучей пример но ±20°, позволяет осуществлять очень хорошо контролируемую и чрезвычайно точную установку длин волн до ±0,0002 нм. При этом с помощью решетки произ водится прежде всего грубая настройка, тонкая же установка достигается путем поворота кварцевой пластины.

Поворотная кварцевая преломляющая пластина

Кварцевая преломля/ Линия ющая излучения пластина

Выходная щель

Рис. 11.17. Тонкая настройка длин волн с помощью поворотной преломляющей пластины

11.4. Оборудование для работы с ИСП

335

Интенсивность

Длина волны

Рис. 11.18. Компьютеризированный поиск пиков

Современные компьютеризованные ИСПспектрометры поддерживают все важ нейшие аналитические функции, в том числе поиск пиков, представление спектров и оценку количественных результатов. Монохроматоры с программноуправляемым приводом решетки от шагового двигателя реализуют вариант компенсации крити ческих для измерения интенсивности параметров – размера механической щели и колебаний температуры. Абсолютное отнесение длины волны осуществляется с по мощью специального датчика угла поворота, который жестко соединен с приводом решетки и фотоэлектрическим способом измеряет с высоким разрешением все из менения угла. Счетные импульсы при этом регистрируются компьютером. Компьютер берет на себя и функцию управления монохроматором. Вычисли тельной машине задается специфичная для интересующего элемента длина вол ны и указывается оптическое окно, в котором следует вести поиск пиков. Данная система будет смещать оптическое окно до тех пор, пока максимум линии не ока жется в центре окна (рис. 11.18). При таком способе достигается точное обнару жение длины волны и надежная ее оценка. К слову сказать, для этих монохроматоров предлагаются современные опти ческие системы, пригодные для настройки • в течение нескольких секунд, • на любую длину волны, • в спектральной области от 170 до 800 нм и • с точностью ±0,001 нм. Увеличивающийся объем знаний касательно спектральных помех обусловли вает в настоящее время явный поворот в сторону приборов последовательного действия1, что позволяет сохранять гибкость системы в плане селективности по элементноспецифичным линиям.

11.4.2. Многоэлементный эмиссионный ИСПспектрометр Многоэлементный ИСПспектрометр одновременного действия представляет со бой измерительноаналитическую систему, позволяющую за 10–30 секунд выпол нять параллельно количественное определение сразу множества элементов из од ного раствора. И центральное место в этой системе снова отведено возбуждению излучения ИСП. 1

Приборы последовательного действия практически перестали выпускаться. – Прим. ред.

336

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Для одновременного многоэлементного определения используются полихро маторы. Их диспергирующим элементом является вогнутая дифракционная ре шетка, посредством которой входная щель отображается параллельно с разными длинами волн. В настоящее время чаще всего находит применение вогнутая ре шетка в компоновке Пашена – Рунге. У этих устройств входная щель, решетка и до 60 выходных щелей (каналов) неподвижно смонтированы на так называемом круге Роуланда. При этом используемая решетка одновременно служит целям дис персии и фокусирования. Выходные (вторичные) щели этой системы постоянно настроены на определенные линии спектра излучения. За каждой вторичной ще лью находится фотоумножитель с собственным электропитанием высокого на пряжения, усилением, обработкой данных измерения и проч. Еще одна довольно частая проблема, связанная с использованием ИСПспек трометра одновременного действия, состоит в том, что оптимальная длина волны для заданного элемента не может быть использована в силу недостатка места на фокальной плоскости. Это означает, что химикисследователь вынужден жертво вать качеством в пользу скорости. Нередко приходится по той или иной причине отказываться от оптимальных исполнений решеток, и тогда возможные альтер нативные длины волн обнаруживают спектральные помехи. Когда в спектре по являются помехи, существует только одна контрмера: межэлементная коррекция. В случае последовательной эмиссионной спектроскопии с ИСП это остается пос ледней надеждой на проведение измерения без помех. Коррекция фона у многих ИСПспектрометров последовательного действия невозможна1, однако некото рые из новейших моделей располагают свободно выбираемой фоновой коррек цией, хотя за счет этого удлиняется время анализа и тем самым сводится на нет главное преимущество данного метода. По сравнению с монохроматором, управляемым шаговым двигателем, поли хроматор предлагает способ одновременного определения 40 элементов и более за 1–3 минуты. Но он имеет при этом два существенных недостатка, которые силь но ограничивают использование этого варианта в лаборатории, призванной ре шать комплексные задачи. Вопервых, пользователь, приобретая прибор, должен сразу решить, какие элементы на какой длине волны должны измеряться. Предпринимаемое задним числом изменение потребует больших физических и материальных затрат и мо жет выполняться только специалистами фирмыизготовителя. Вовторых, дина мическая коррекция фона со свободным выбором длины волны перед аналити ческой линией и позади нее (как в случае монохроматора с управлением шаговым двигателем) у полихроматора возможна только с серьезными ограничениями. Область применения данной системы составляют химикоаналитические ла боратории с большим объемом исследуемых проб. Одновременно измеряющие ИСПспектрометры используются главным образом там, где приходится посто янно иметь дело с большим количеством проб, а поставленные аналитические задачи практически не претерпевают изменений, короче говоря, там, где всегда 1

У всех спектрометров последовательного действия возможна коррекция фона. Вероятно, здесь речь идет о некоторых спектрометрах одновременного действия. – Прим. ред.

11.4. Оборудование для работы с ИСП

337

работают с одними и теми же элементами. Сочетание эмиссионного возбуждения ИСП с многоэлементным спектрометром впервые создает возможность быстрого исследования растворов, как это до сих пор проводилось главным образом в ста лелитейной промышленности на твердых образцах.

11.4.2.1. Полихроматор Пашена – Рунге Большинство многоэлементных эмиссионных спектрометров располагают опти ческой системой на основе геометрии круга Роуланда, используемого в так называ емой компоновке Пашена – Рунге (рис. 11.19). Голографическая вогнутая дифрак ционная решетка установлена здесь абсолютно неподвижно. Когда щель первич ного излучения, дифракционная решетка и щель вторичного излучения таким об разом расположены по кругу, что образуется зеркальное отображение первичной щели относительно оси нормалей, то спектр находится между этой щелью и зеркаль ным изображением в фокусе. Размер круга Роуланда одновременно определяет фо кусное расстояние спектрометра, составляющее, как правило, от 0,75 до 1,5 м и пре доставляющее площадь для 60 аналитических каналов. Количественное ограниче ние задано обратной дисперсией, которая соответствует разности длин волн 1 мм фо кальной плоскости на круге Роулэнда. У спектрометров с фокусным расстоянием 1 метр она составляет примерно 0,5 нм/мм. Минимальное расстояние между обеими щелями в фокальной плоскости может быть от 1 до 1,5 нм. Каждый элементный ка нал включает в себя щель вторичного излучения, зеркало и фотоумножитель. В отличие от последовательных эмиссионных спектрометров, щель первич ного излучения, дифракционная решетка и щель вторичного излучения непо движно установлены на круге Роулэнда и могут быть изменены (с большими затра тами!) только силами самого изготовителя. Это обстоятельство требует от пользо вателя фундаментального знания поставленной аналитической задачи; необхо димо не только иметь точное представление об определяемых элементах, но так же располагать сведениями о матрице и сопутствующих веществах, о возможных перекрытиях линий и проч. Вогнутая дифракционная решетка

Фокусное расстояние

Входная щель

Выходная щель

Линза

Ось нормалей Плазменный факел

Рис. 11.19. Полихроматор Пашена – Рунге

Фото/ умножитель

338

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами Монохроматор Черни – Тернера

Плазменный факел

Полихроматор Пашена – Рунге

Рис. 11.20. Комбинированный ИСПспектрометр одновременного и последователь ного действия

11.4.3. Комбинированные ИСПспектрометры одновременного и последовательного действия Первоначально рынок предлагал спектрометры на основе ИСП либо только од новременного или только последовательного действия. Сочетание того и другого исполнений с источником плазменного возбуждения вобрало в себя все извест ные преимущества, вообще предлагаемые методом плазменной спектрометрии. В итоге последовательноодновременный ИСПприбор стал действенной альтер нативой быстрым устройствам последовательного действия, ибо здесь достигает ся единство максимальной скорости измерения и аналитической гибкости. Ком бинированный ИСПспектрометр одновременного и последовательного действия содержит как полихроматор Пашена – Рунге, так и монохроматор Черни – Тер нера (рис. 11.20).

11.4.4. ИСПспектрометр с эшелле Это исполнение спектрометра существенно отличается от всех прежних конст рукций. Эшеллеспектрометр можно рассматривать и как монохроматор, и как полихроматор. Чрезвычайно высокое разрешение при поразительной компакт ности достигается в данном случае благодаря следующим признакам: • действующей в двух плоскостях дисперсии и • решетке с более высоким дифракционным порядком. В качестве диспергирующего элемента используются фиксированный эшел ле с числом штрихов всего 79/мм и 30°призма. Призма постдисперсии действует одновременно как линза и отображает линии спектра излучения на двухмерной плоскости. Жесткий монтаж такого диспергирующего элемента обеспечивает максимально надежное обнаружение спектральных линий и, следовательно, вос производимость настройки на длину волны.

11.4. Оборудование для работы с ИСП

339

Высокое разрешение эшелле достигается по иному, чем у обычной дифракци онной решетки, оптическому принципу. Дисперсионная способность решетки прямо пропорциональна числу ее штрихов (канавок) из расчета на миллиметр при заданном дифракционном порядке и, соответственно, пропорциональна дифрак ционному порядку при равном числе штрихов. При традиционных дифракцион ных монохроматорах работа ведется, в силу энергетических причин, практически только в дифракции 1 и 2 порядка. Дело в том, что более высокие дифракционные порядки стандартных решеток дают дисперсии с увеличением кратно порядково му номеру и, следовательно, обеспечивают более высокое разрешение. Но в этой ситуации подобное разрешение практически не реализуемо, так как отдача энер гии не допускает наличия соответствующих данным условиям узких щелей. Если угол решетки должен получить отчетливое увеличение в первом порядке дифрак ционного максимума, то для этого требуется решетка с очень высокой концент рацией штрихов. Поэтому для хорошего разрешения у традиционных дифракци онных решеток применяют чаще всего 2400 или даже 3600 образующих штрихи канавок из расчета на миллиметр. Для улучшения разрешающей способности можно пойти другим путем. При за данной базе, или ширине, дифракционной решетки и известной длине волны разре шение зависит от синуса угла дифракции. Стандартные решетки работают обычно в диапазоне 15°, эшелле – в области 63°. При прочих равных условиях это уже означает для эшелле почти трехкратное повышение разрешающей способности. Еще один возможный вариант оптимизации разрешения состоит в исполь зовании более высоких порядков дифракционного максимума. Если традици онные дифракционные решетки действуют только в 1 и 2 порядках, то эшелле воспроизводит все дифракционные порядки с почти одинаковой интенсивнос тью. Падающий на решетку свет разлагается в световые лучи, у которых разные длины волн различных порядков расположены друг над другом. Узкий диапазон углов системы эшелле выражается в «оптимизации угла блеска» для достаточно большой области спектра. Отсюда следует очень узкая полезная спектральная об ласть для каждого порядка. И, чтобы избежать наложений дифракционных по рядков, эшелле используются почти исключительно с пред и постдиспергирую щими элементами. Отдельные порядки расщепляются затем призмой во вторую коордиинату. Эти порядки смещены относительно друг друга, так как длина волны блеска является фун кцией порядка. Один из отраженных решеткой световых лучей состоит из длин волн блеска всех порядков и обладает максимальной интенсивностью. После прохожде ния этого луча света через призму, длины волн блеска располагаются в спектре с вее рообразным расхождением друг над другом. Эшеллеспектрометр работает в зоне вокруг длины волны блеска, так что длина волны появляется слева в одном порядке и затем вновь появляется справа в ближайшем более низком порядке. Такой выбор при водит, несмотря на очень высокое разрешение, к хорошим интенсивностям [11.18]. При использовании эшелле предъявляются чрезвычайно высокие требования к форме штрихов и их качеству. Светоотдача ни в коем случае не должна быть ниже 50% от максимально возможной величины. При выходе света менее 50% в дело вступает соседний порядок. Для сравнения: у традиционных решеток, рабо

340

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

тающих в первом порядке дифракционного максимума, светоотдача резко сокра щается при отклонении от угла блеска. С точки зрения отдачи света эшелле несомненно относится к самым эффектив ным системам. Ясно поэтому, что с помощью дифракционной решетки такого типа можно получить очень компактные приборы с высшей разрешающей способнос тью. В качестве еще одного достоинства эшелле можно назвать возможность их применения в очень широкой области спектра. Малое число штрихов/мм и исполь зование высоких дифракционных порядков создают гораздо меньше проблем в связи с большими потерями поляризации, чем это имеет место в случае стандартных диф ракционных решеток с высокой плотностью штрихов (аномалия Вуда). При повышенной светоотдаче эшеллемонохроматоры достигают более чем 10кратного улучшения разрешающей способности по сравнению с обычными мо нохроматорами равного фокусного расстояния и с такой же шириной щели. С уче том следующих друг за другом отдельных дифракционных порядков, для покры тия всей области спектра от 180 до 900 нм потребовалась бы, например, длина дуги окружности от 5 до 6 метров. Выбранные порядки и длины волн дополни тельно продолжают выделяться посредством призмы. При фокусном расстоянии 75 см разрешение соответствует эффективности традиционного спектрометра с фокусным расстоянием более 3 метров, дифракционная решетка которого имеет обычно 2400 штрихов/мм. При скрещенной дисперсии с корректируемой призмой, действующей одно временно как линза и как призма, соответствующие порядки разлагаются во вто рую плоскость. Падающий на решетку свет разлагается в световые лучи, при ко торых разные длины волн различных порядков накладываются друг на друга. Они затем расщепляются призмой во вторую координату. Спектрометр выдает при этом двухмерный спектр на диске с диафрагмами (рис. 11.21).

Щелевая маска

Постдиспергирующая призма

Эшелле Фокусирующие зеркала Линза

Входная щель ИСП

Рис. 11.21. Функциональная схема эшеллемонохроматора с призмой и скрещенной дисперсией

11.4. Оборудование для работы с ИСП

341

Такая эшеллесистема отличается множеством достоинств. Среди них: • безупречное разделение спектральных линий благодаря чрезвычайно вы сокой дисперсии, • отсутствие механически перемещающихся деталей монохроматора, что ус траняет дорогостоящую механику управления решеткой, • скрещенная дисперсия в результате действия корректирующей призмы с однократным прохождением, чем обеспечивается высокая светоотдача и резкие изображения щели, • установленная спектральная область для каждого дифракционного поряд ка благодаря наличию щелевой маски при оптимальном выходе энергии без помощи сложных вычислительных программ, • возможность применения одновременной и последовательной регистрации множества элементов в одной оптической системе. На выходе эшеллеспектрометра получают полный спектр анализируемого ве щества, занимающий площадь около 5 × 5 см2. Дисперсирование эмиссионного спек тра на плоскости создает возможность чрезвычайно гибкого определения. С помо щью схемы «эшелле – призма» могут проводиться как последовательные, так и одно временные многоэлементные определения с одной и той же оптической системой. При одновременном измерении щелевая маска с соответствующими выходными щелями для отдельных спектральных линий элементов центрируется на выходной плоскости полихроматора. За каждой выходной щелью находится относящийся к ней фотоумножитель. Подобная щелевая маска при необходимости решения иных ана литических задач может быть соответственно заменена маской иной конфигурации. При работе в последовательном режиме специальный детекторный рычаг с укрепленным на нем фотоумножителем выдвигается в соответствующую пози цию элемента. Такая операция с механической точки зрения не критична, по скольку большой фотокатод лишь ориентировочно приближается к положению щели элемента. Это позволяет быстро и точно производить смену элемента в те чение одной секунды. Для регистрации и представления одного или нескольких линейных профилей щелевая маска посредством шагового двигателя перемеща ется в направлении оси х, выполняя тем самым запись длин волн. Наблюдению поддается интервал между линиями до 0,001 нм. Отклонение от «координат пи ков» указывает на помеху от линий.

11.4.4.1. Одновременное измерение всех элементов на всех длинах волн Оптическая система с эшелле создает идеальные условия для использования двух мерной маски приемника. Такая возможность открывает путь к привлечению в каче стве детектора полупроводникового чипа в форме прибора с инжекцией заряда (charge injection device)1 [11.19], поскольку его полупроводник напоминает2 детектор видео камеры. Около 95 000 отдельных детекторов, именуемых пикселями, или элемен тами изображения, такой чип содержит на площадке, разделенной на 388 линий и 244 ряда. Каждый пиксель имеет ширину 23,3 мкм и высоту 27,2 мкм. Светочувстви 1

Или зарядовой связью (Charge Coupled Device). – Прим. ред.

2

Применяются пиксели и других размеров и чипы с иным числом линий и рядов. – Прим. ред.

342

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами Детектор в форме прибора с инжекцией заряда с 95 000 пикселями Постдиспергирующая призма Эшелле Фокусирующие зеркала Линза

Входная щель ИСП

Рис. 11.22. Эшеллеспектрометр с детектором в форме прибора с инжекцией заряда

тельность и динамическая область при порядке величины 104,1 соответствуют тако вым у обычного фотоумножителя. Но прибор с инжекцией заряда может регулиро вать время интегрирования, увеличивая при этом область линейности в 103–107 раз. В отличие от прибора с зарядовой связью (charge coupled device), у прибора с инжекцией заряда по причине регулируемого времени интегрирования отсутствует эффект «расплывания», то есть при насыщенном элементе изображения не про исходит переполнения с переходом заряда на следующий ближайший пиксель. Дробовой шум прибору с инжекцией заряда вообще не знаком1, поскольку он ох лаждается жидким азотом до –189°С либо элементом Пельтье, так что темновой ток уже не попадает в измерение [11.20]. Эшеллеоптика диспергирует излучаемый плазмой свет по двухмерному прин ципу и фокусирует спектр посредством тороидального зеркала на детектор в фор ме прибора с инжекцией заряда (рис. 11.22). Каждый из его 95 000 пикселей при равнивается к выходной щели с размещенным за ней фотоумножителем. Таким образом, спектральная область от 170 до 850 нм полностью отображается на де текторе и может измеряться одновременно. Ее помещают на хранение в запоми нающее устройство и при необходимости вновь используют в последующей рабо те. Следовательно, тот или иной анализ можно повторить спустя много лет либо еще раз опробовать на новых элементах [11.21]. Полный спектр излучения включает в себя: • все элементы, определяемые с применением ИСП, • на всех длинах волн.

11.4.5. Проблемы многоэлементного определения Разрабатывая приемы аналитического метода в оптической эмиссионной спект рометрии с ИСП, действовать надо максимально внимательно, учитывая необхо 1

Дробовой шум является фундаментальным шумом преобразования квантов света в фото ток, т.е. он не устраняется охлаждением фотопримника, в отличие от темнового шума. – Прим. ред.

11.4. Оборудование для работы с ИСП

343

димость тщательной оптимизации применительно к конкретному элементу. В атомноабсорбционной спектроскопии, где в ходе анализа определяется обычно только один элемент, оптимизация достигается без особых сложностей. А вот при многокомпонентном измерении на уровне оптической атомноэмиссионной спек трометрии с ИСП оптимизация проводится относительно спектральной линии одного элемента, тогда как все прочие элементы измеряются при тех же самых, не оптимизированных для них условиях, и это уже будет своего рода компромиссное решение. Поэтому многоэлементные определения посредством оптической эмис сионной спектрометрии с ИСП влекут за собой проблему недостаточной обнару жительной способности при большом расходе проб исследуемого вещества [11.22]. Для каждой используемой в аналитических целях длины волны существует присущая только ей зависимость сигнала как от условий возбуждения плазмы, так и от зоны, наблюдаемой в аналитическом канале плазмы. Условия возбужде ния, в значительной степени определяемые температурой1, варьируются, порой весьма значительно, не только от элемента к элементу, но и от линии к линии спектра одного и того же элемента. Целью анализа должно стать определение каж дой спектральной линии при оптимальных условиях возбуждения. Ввиду боль шого числа параметров, так или иначе влияющих на достижимый оптимальный эффект (подводимая мощность, расход газа распылителя, высота наблюдения, а также внешние и средние потоки газа), оптимизация условий возбуждения не редко заканчивается безуспешно. При этом собственно процесс оптимизации может осуществляться с приня тием во внимание разных критериев, среди которых: предел обнаружения и чув ствительность, устойчивость сигнала или отсутствие спектральных помех. На прак тике интенсивность линии часто повышается до максимума с целью достижения наилучшей чувствительности. При этом, однако, следует помнить, что сигнал со стоит из интенсивности линии спектра излучения плюс излучения фона, поэтому представляется более целесообразным стремиться, по возможности, к максималь но высокому отношению сигнал/фон.

11.4.6. Световоды для ИСПспектрометров При использовании световодов открываются совершенно новые перспективы на основе того факта, что для целей измерения могут быть привлечены разные обла сти плазмы. Так как плазменный факел является радиальносимметричным ис точником света, можно прибегнуть к нескольким световодам, которые будут од новременно принимать излучаемый свет и подводить его к разным входным ще лям монохроматора (рис. 11.23). При этом в случае многоэлементного определе ния можно устанавливать для каждого элемента оптимальную высоту наблюдения путем соответствующего позиционирования световода. В зависимости от поло жения световода относительно плазменного факела можно забирать свет из раз ных температурных зон, благодаря чему и создаются оптимальные условия для наблюдения за отдельными атомными и ионными линиями [11.23]. Число пере 1

... и концентрации электронов в плазме.

344

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами Световоды

Атомная линия элемента 1 Атомная линия элемента 2 Атомная линия элемента 3

Плазменный факел

Атомная линия элемента 4

Рис. 11.23. Монтаж световодов для достижения оптимального многоэлементного определения

крытий линий при такой методике удается требуемым образом сократить, избе жав нежелательных компромиссов при отборе спектральных линий [11.24].

11.4.7. Наблюдение плазмы в осевом направлении Традиционно принято наблюдать плазму в радиальном направлении. Второй ва риант предлагает горизонтальная плазма, при которой наблюдение осуществля ется в осевом направлении. Уже давно известно, что чувствительность обнаруже ния заметно улучшается при осевом наблюдении плазмы. В отличие от традици онного радиального варианта, здесь интерес представляет эмиссия в централь ном канале плазмы, обеспечивающая в дватри раза более высокую светоотдачу. Тот факт, что наблюдение осуществляется не по краю плазмы, обусловливает мень шее излучение фона и, следовательно, лучшее отношение сигнал/фон при оди наково хорошей стабильности плазмы. Однако к недостаткам в данном случае следует отнести возможные неспект ральные помехи (матричные эффекты) у определенных видов образцов, напри мер при высоком содержании щелочных элементов, или у проб с органическими растворителями. Такие помехи возникают обычно на вершине факела плазмы, где она вновь охлаждается. Здесь образовавшиеся атомы рекомбинируют в моле кулы. При радиальном наблюдении зона рекомбинации находится намного выше зоны, используемой для измерений. При осевом наблюдении, напротив, более холодная вершина плазмы действует как поглощающий слой со связанными с ним неспектральными помехами. Поэтому на вершину факела плазмы посылается дополнительный, перпенди кулярно направленный поток аргона, в результате чего при поперечном располо жении плазмы эта вершина соответственно срезается. Длина плазменного факела ограничивается этой мерой до оптически эффек тивной части, и тогда наблюдаться будет только значимая для аналитических це

11.5. Помехи при оптической эмиссионной ИСПспектрометрии

345

лей область плазмы с самым благоприятным отношением сигнал/шум. В наруж ной части плазмы никаких мешающих участков более не возникает, и уже нет хо лодной зоны, в которой рекомбинирующие ионы вызывают интенсивные фоно вые излучения [11.25].

11.4.8. Применение внутреннего стандарта Относительные стандартные отклонения в оптической эмиссионной спектромет рии с ИСП составляют в случае прибора одновременного действия от 0,5 до 1%, у последовательных спектрометров – около 1–2%. Эти стандартные отклонения могут быть сведены к минимуму благодаря применению соответствующих внут ренних стандартов. С этой целью дополнительно устанавливается второй, гибко программируемый, монохроматор, который в качестве внутреннего стандарта измеряет любую линию одновременно со спектральной линией элемента. При этом либо основной компонент пробы, присутствующий в постоянно высокой концентрации, либо вся проба легируется определенным элементом, ранее не содержавшимся в нем. Тогда достигаются чрезвычайно хорошие стандартные от клонения при высоких концентрациях и долговременной стабильности. Чтобы как можно быстрее вновь отыскать исходную позицию спектрометра, прибегают к помощи дополнительной галогенной лампы низкого давления. Ин тенсивная линия излучения ртути при длине волны 253,652 нм используется в ка честве внутреннего стандарта спектрометра. Такой способ коррекции требует, ко нечно, хорошего знания спектрального окружения аналитической линии. Но он позволяет пользователю действовать максимально гибко при компенсации раз ного рода фоновых помех. В случае простого фона длина волны для его измере ния может находиться на одной из двух сторон аналитической линии. Если фон показывает зависимое от длины волны изменение интенсивности, то измерять его надо на равном расстоянии слева или справа от аналитической линии. При сложном фоне интервалы длин волн для фонового измерения подлежат гибкой подгонке к данному фону слева и справа от аналитической линии.

11.5. Помехи при оптической эмиссионной ИСПспектрометрии Атомноэмиссионную спектрометрию принято представлять как не обременен ный помехами способ определения. Но это отсутствие влияний касается исклю чительно химических помех, которые лишь изредка возникают при атомном из лучении с ИСП, чего не скажешь об атомноабсорбционной спектроскопии, где, например, чрезвычайно велико влияние фосфора на определение кальция. В слу чае же ИСП, напротив, содержание фосфора никоим образом не сказывается на определении кальция. Ответственность за химические помехи несут относи тельно низкие температуры атомизации при атомноабсорбционной спектромет рии (около 2000–3000°С). Высоких температур плазмы вполне достаточно для до стижения диссоциации большинства химических соединений. Поэтому здесь и не наблюдается помех, указывающих на образование соединений элементов.

346

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Ионизационные помехи при работе с ИСП тоже отсутствуют по причине боль шого избытка электронов в плазме1. Помехи при транспортировке проб, вызываемые разными физическими свой ствами раствора – плотностью, поверхностным напряжением и вязкостью, могут быть устранены методом добавок – путем уравнивания стандарта с матрицей пробы либо отделения определяемого элемента от матрицы, как это делается при атом ноабсорбционной спектроскопии. Применение внутреннего стандарта, конеч но, тоже сглаживает действие физических факторов при перемещении пробы, но мало влияет на мешающие явления ионизации. К стандартным методам добавок, способным ослабить как физические, так и ионизационные эффекты, прибегают не очень охотно, поскольку они отнимают много времени и вообще довольно трудоемки. Между тем в случае сложных проб они дают наилучшие результаты. Функции cовременного ИСПспектрометра с ав томатической подачей проб и специальным механизмом разбавления позволяют ему не только проверять через определенные промежутки времени и самостоятель но повторять градуировку, но и выполнять автоматические стандартные добавки, причем расчет концентрации в пробе тоже осуществляется автоматически. Более удобным считается все же использование насоса перистальтического типа для подачи аналитической среды, поскольку при этом обеспечивается опре деленный постоянный объемный расход пробы независимо от ее физических свойств. Параметры, критичные для техники с индуктивно связанной плазмой, – скорость подачи насоса, объемный расход аэрозоля и газаносителя, высота на блюдения – приходится определять и тщательно оптимизировать для каждой ана литической системы. Это обусловлено, в частности, возможностью появления большого числа фоновых помех, которые подлежат скрупулезному анализу при решении любой аналитической проблемы.

11.5.1. Фоновые помехи Фоновые помехи приводят к неоправданному повышению результата измерения, как это бывает и при атомноабсорбционной спектроскопии. Они вызываются самыми разными причинами и проявляются в неспецифичном для элемента уве личении интенсивности излучения на измеряемой спектральной линии. Разно образие причин для подобных помех обусловливает принципиальную необходи мость проведения в отношении каждой пробы тщательного исследования на пред мет возможных фоновых помех, среди которых различают две категории: • рассеянный свет и • спектральные помехи.

11.5.1.1. Рассеянный свет Рассеянный свет возникает при наличии неравномерностей на отражающих по верхностях (зеркал, дифракционных решеток) монохроматора. При использовании 1

Ионизационные помехи неизбежно проявляются в индуктивно связанной плазме. – Прим. ред.

11.5. Помехи при оптической эмиссионной ИСПспектрометрии

347

зеркал с просветленной (антиотражающей) поверхностью и голографических ре шеток проблем с рассеянным светом в спектрометрах наиболее совершенных кон струкций почти не возникает. И все же известен ряд помех, практически неизбеж ных, например при высоких концентрациях Ca, Mg и др., в растворе пробы.

11.5.1.2. Спектральные помехи Чаще всего помехи оптической эмиссионной спектрометрии возникают вслед ствие перекрытий линий известных и неизвестных примесных элементов. В то время как влияние химических помех в атомноэмиссионной спектромет рии весьма незначительно, спектральные помехи в некоторых случаях проявляют себя достаточно сильно. В отличие от атомноабсорбционной спектрометрии, плазма генерирует многоэлементное излучение, поскольку здесь одновременно возбуждаются все элементы. Эти помехи резко возрастают при высоких матрич ных нагрузках и в случае недостаточного спектрального разрешения нередко ос таются нераспознанными. Большое число линий спектра излучения становится наибольшим препятствием в деле распознавания и устранения спектральных по мех, представленных в самых разных формах. Это может быть: • • • • •

прямое совпадение линий, взаимное наложение близлежащих линий, перекрытие уширенными линиями, излучение сплошного спектра из матрицы, излучение и поглощение молекулярных полос.

Чаще всего помехи эмиссионной спектрометрии возникают в результате нало жения линий известных и неизвестных сопутствующих элементов (рис. 11.24). При высокой нагрузке со стороны матрицы эти помехи заметно возрастают и во многих случаях, особенно при недостаточном спектральном разрешении, так и остаются нераспознанными. Возможны сдвиги спектрального фона, которые тоже подлежат обязательной корректировке. Элементы с мощным излучением (как Ca, Mg и Al), присутствуя в пробе в высокой концентрации, показывают, порой значительные, уширения Интенсивность

Cd (ион)

Ni (ион)

Ni (ион)

Ta (ион) Al (атом) Al (атом) Sn (атом)

Длина волны, нм

Рис. 11.24. Пример определения Cd рядом с Ta, Ni, Sn и Al

348

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

линий. Таковые приводят затем к перекрытиям, хотя эти линии располагаются достаточно далеко друг от друга, чтобы быть разрешенными монитором. Коррек ция фона в таком случае сильно затруднена, и тогда в качестве панацеи обычно предпринимают переход на другую линию. Итак, спектральные помехи зависят от состава матрицы пробы. Матрица оп ределяет тем самым отбор спектральных линий. В такой ситуации при очень тяже лой матрице приходится порой отказываться от линии с самой высокой чувстви тельностью обнаружения. Это приводит, кроме прочего, к значительному ухудше нию предела обнаружения. Упомянутые выше элементы (Ca, Mg, Al) имеют в дальней УФобласти непре рывный спектр, который уже не поддается разрешению с помощью спектромет ров даже самой высокой разрешающей способности. Алюминий показывает, на пример в интервале от 190 до 212 нм, неструктурированный сплошной спектр, вызываемый рекомбинацией ионов. При необходимости измерения другого эле мента в этой области надо обязательно выполнить коррекцию фона. Аналитические линии часто совпадают с матричными линиями или молеку лярными полосами, вызываемыми растворителями ОН, C2, CN и т.д., окружаю щими газами как N2+, NH и др. либо недиссоциированными радикалами матери ала пробы, в частности AlO. Прямые совпадения линий или перекрытия возника ют, когда разрешающей способности монохроматора уже не хватает для отделе ния линий друг от друга. Тогда для проведения измерения приходится переходить на другую спектральную линию элемента. С прибором последовательного дей ствия сделать это довольно просто, при одновременном спектрометре – значи тельно сложнее. В этом случае линии спектра должны устанавливаться сразу с приобретением устройства. Наряду со спектральными помехами от находящихся в растворе пробы элемен тов могут появиться также линии спектра излучения и фон в результате эмиссии молекулярных полос и излучения используемого газа плазмы. В интервале длин волн выше 300 нм это может быть обусловлено полосами ОН, N2 и С2 либо линиями Ar и Н. Между 190 и 240 нм не исключено возникновение полос NO.

11.5.2. Распознавание и компенсация фоновых помех Правильное распознавание фоновых помех есть важнейшее условие их успешно го устранения. Именно спектральные помехи настоятельно требуют от пользова теля постоянного совершенствования методики и конструктивного исполнения приборов, способных максимально точно интерпретировать результаты измере ний. Современный спектрометр поддерживает пользователя при отборе линий и предохраняет от помех, проявляющихся в процессе измерения. Первыми помощниками в деле распознавания спектральных помех стали таб лицы длин волн, иногда оформленные в виде специального атласа спектров. Во многих случаях именно на основе таблиц для оптической эмиссионной спектро метрии с ИСП удается «вычислить» возможные спектральные помехи. Но поме хи такого рода могут быть распознаны только при условии, что измеряемый сиг нал регистрируется и оценивается во всей своей совокупности [11.26].

11.5. Помехи при оптической эмиссионной ИСПспектрометрии

349

По этой причине перед каждым анализом пробы неизвестного состава необ ходимо регистрировать спектр в области аналитической линии. Главной предпо сылкой для распознавания спектральных помех является возможность отображе ния на экране области спектра ±0,5 нм от аналитической линии и также пред ставление нескольких спектров один над другим. Все современные спектрометры способны графически представить спектральные помехи, отрабатывая область вокруг выбранной линии спектра излучения. Пользуясь справочниками ИСПметодов или атласами спектров и взяв за кри терий отсутствие помех, можно выбрать аналитические линии, наиболее подхо дящие для требуемого диапазона концентраций. Затем в зоне этих линий регист рируется спектр одноэлементного и многоэлементного стандартных растворов с последующим отображением на экране дисплея. На основе полученных спектров устанавливается калибровка длин волн и интервалы коррекции фона. Таким способом удается немедленно распознавать возможные перекрытия линий. В качестве второго шага определяется интенсивность излучения на ана литической линии следующих растворов: • • • •

воды как холостого раствора (плазма – фон), слабокислого стандарта, матрицы пробы без определяемого элемента, матрицы пробы с содержанием элемента, идентичным стандарту.

По полученным интенсивностям излучения можно сделать заключение каса тельно возможных фоновых помех. После определения вида фоновой помехи для аналитической линии в конкретной матрице надо подумать, каким образом мож но компенсировать данную помеху. Для этого предлагается целый ряд принципи альных возможностей: • • • •

измерение раствора холостой пробы, обзорный анализ, уход на другие спектральные линии и измерение фона рядом с аналитической линией.

11.5.2.1. Измерение раствора холостой пробы Оптическая эмиссионная спектрометрия с ИСП, как и любая другая спектромет рия, является сравнительным методом. Это означает, что определение содержа ния элемента в растворе пробы осуществляется по принципу сравнения с эталон ным, или стандартным, раствором. Но правильное измерение предполагает, что элементы в стандартных растворах имеют связи, идентичные таковым у элемен тов раствора пробы или хотя бы химически близкие к ним. Практически идеаль ным и чрезвычайно надежным методом распознавания и устранения фоновых помех считается измерение раствора холостой пробы. Данный метод позволяет осуществлять измерение фоновых помех точно на аналитической линии и создает возможности для их надежного устранения. Это раствор, содержащий полную матрицу, то есть все сопутствующие элементы, в той же концентрации, что и проба, но не подлежащий определению элемент. По

350

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

скольку подобным раствором в большинстве случаев не располагают, то в прак тических условиях эта работа редко выполняется на основе приспособленной к матрице функции градуировки в качестве возможного варианта коррекции. Для этого необходимо измерять фон как можно ближе к аналитической линии.

1.5.2.2. Обзорный анализ Концепция обзорного анализа базируется на использования двух или трех анали тических длин волн из расчета на каждый определяемый элемент. При полуколи чественном анализе все элементы, которые вообще поддаются исследованию с применением ИСП, возбуждаются, максимальные интенсивности регистрируют ся. Выдаваемые спектрометром сообщения об ошибках используются в качестве вспомогательного средства при интерпретации результатов, что позволяет опре делять вероятные значения для каждого элемента. После этого осуществляется проверка на пригодность той или иной спектральной линии для целей количе ственного определения. Наряду с конкретными определяемыми элементами, обзорный анализ может дать информацию и о других элементах, предназначенных для количественного определения. В большинстве случаев на основе (достаточно грубой) классифика ции принимается решение о том, требуется ли в данном случае вообще проведе ние количественного анализа. Такая необходимость возникает, когда данные об зорного анализа указывают на вероятность присутствия какоголибо элемента в опасных концентрациях либо полученная информация вследствие спектральных помех на всех линиях требует дополнительной тщательной проверки. Если ка кието элементы не содержатся в данной пробе, их можно просто вычеркнуть из составленного контрольного списка. Это позволит заметно сократить общую про должительность анализа. При отборе спектральных линий следует руководствоваться в первую очередь нормами ДИН 38406 Е 22. Для определения на основе оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в них приведены на данный мо мент 33 элемента, предложенные специализированной группой химических ис следований воды Общества немецких химиков в сотрудничестве с комитетом по стандартизации ДИН. В том числе там указаны аналитические длины волн и пред лагаемые нижние области применения. В сложной матрице почти всегда неизбе жен выбор нескольких аналитических линий для одного элемента. Подобные уси лия могут быть оправданы лишь при использовании компьютеризованной про граммы анализа, дающей химикуаналитику точные сведения о том, какие ана литические линии не являются однозначными. Так как не существует некоей универсальной неискаженной линии спектра излу чения, то рекомендуется, особенно в следовой аналитике, проводить элементное оп ределение на нескольких аналитических линиях. Спектральные помехи в форме перекрытий линий, повышения фона или на личия структурированного фона изза молекулярных полос – все это относится к свойствам атомноэмиссионной спектрометрии. Поэтому тщательный отбор ана литической линии и соответствующая коррекция фона наряду с оптимизацией

11.5. Помехи при оптической эмиссионной ИСПспектрометрии

351

всей системы составляют важную часть предварительной работы, подготавлива ющей надежное аналитическое исследование.

11.5.2.3. Переход на другие линии спектра После распознавания присутствия фоновых помех в любом случае следует прове рить, нельзя ли провести измерения без помех на какойто другой линии спектра излучения интересующего элемента. В табл. 11.5 приведены на примере никеля раз ные линии спектра излучения с убывающей чувствительностью. Любая фоновая помеха – даже при условии принятия мер по коррекции – отрицательно влияет как на точность, так и на правильность определения. Поэтому представляется вполне оправданным и даже благоприятным переход на менее чувствительную линию, если там отсутствуют фоновые помехи. Каждое определение, таким образом, подлежит оптимизации с точки зрения выбора подходящей аналитической линии. Òàáëèöà 11.5. Ïðèìåðû ðàçíûõ ëèíèé ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ íèêåëÿ Äëèíà âîëíû, íì

Òèï ëèíèè

221,647

èîííàÿ

323,003

àòîìíàÿ

231,604

èîííàÿ

216,556

èîííàÿ

217,467

èîííàÿ

230,300

èîííàÿ

227,021

èîííàÿ

225,386

èîííàÿ

234,554

àòîìíàÿ

239,452

èîííàÿ

352,454

àòîìíàÿ

341,476

àòîìíàÿ

Óáûâàþùàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü

11.5.2.4. Измерение фона рядом с аналитической линией Для идентификации и коррекции фона у разных типов спектрометров примени мы способы, используемые также для поиска резких максимумов, или пиков. Соответствующая оптическая система, помимо установки максимума линии из лучения, предлагает возможность проверки и – при необходимости – измерения спектрального фона рядом с пиком. Спектрометрами одновременного действия с полихроматором Пашена – Рунге фон регистрируется посредством программноуправляемого сдвига щели. При этом входная щель перемещается с помощью шагового двигателя, также снаб женного программным управлением. Полученные при этом профили линий с областью спектра ±0,5 нм всех элементных каналов сохраняются в памяти ЭВМ. Представление на экране дисплея безусловно облегчает распознавание спектраль ных интерференций. После идентификации фон фиксируется с сохранением в программе коррекции вместе с таблицей элементов. Такой способ позволяет вы полнять индивидуальную для каждого элемента коррекцию фона. Другая возможность измерения фона состоит в использовании вибрирующей преломляющей кварцевой пластины. При этом плоскопараллельная кварцевая пла

352

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

стинка находится за входной щелью и снабжена программным управлением. В ре зультате незначительного поворота такой пластинки свет соответствующим образом отклоняется, так что можно определять фон вблизи каждой спектральной линии. При спектрометрах последовательного действия попеременно поворачиваются дифракционные решетки посредством программноуправляемого шагового дви гателя высокого разрешения, причем длина волны смещается на выходной щели и интегрируется в течение короткого времени (например, 0,1 с). Если приходится определять много элементов и к тому же требуется высокая точность в следовом диапазоне, эти способы покажутся, конечно, медленными по сравнению с быст рыми, но весьма ограниченными (в смысле гибкости программы анализа) одно временными способами. Использование световодов создает возможность охвата нескольких оптичес ких систем, что позволяет проводить одновременное измерение интенсивностей линий и фона и размещать большее число измерительных каналов. Новое поко ление ИСПспектрометров с эшелле и прибором с инжекцией заряда обеспечи вает одновременное определение с большой гибкостью отбора элементов и ли ний. Благодаря такой приборной технике достигается оптимизированный с точ ки зрения спектральных помех выбор линий и надежная коррекция фона.

11.6. Стандартные растворы для атомноэмиссионной спектрометрии Градуировка ИСПспектрометра, как правило, довольно проста и не создает про блем. Однако спектральные помехи в присутствии примесных веществ могут по явиться и в стандартных растворах. Поэтому следует обращать особое внимание на чистоту стандарта. Поскольку линейчатые спектры всех элементов излучаются од новременно, данный метод не обладает специфичностью. Примеси в стандарте спо собны вызвать спектральные помехи и, следовательно, стать причиной неправиль ной градуировки, что, в свою очередь, приводит к неверным результатам измере ния. В отличие от этого, при атомноабсорбционной спектрометрии для получе ния стандарта за счет избирательности лампы с полым катодом достаточно лишь точно знать концентрацию основного элемента в стандартном растворе [11.27]. Но приборы, работающие с ИСП, в настоящее время усовершенствованы на столько, что правильность анализа порой ограничена градуировочным стандар том. Поэтому на рынке предлагаются сейчас специальные стандарты для плазмы, состоящие из исходных материалов высокой чистоты.

11.7. Гидридная система Гидридная техника как аналитический метод получила признание сначала в об ласти атомноабсорбционной спектроскопии. Позднее эти приемы в отношении гидридообразующих элементов стали использоваться также в атомноэмиссион ной спектрометрии. И здесь тоже огромное значение имеют способы отделения матрицы, позволяющие практически исключить возможные помехи на линии в

11.8. Анализ твердых образцов

353

спектре излучения. Благодаря этому способность к обнаружению данных элемен тов повышается почти в 100 раз. Следует еще добавить, что подобная методика может функционировать и по принципу проточной инжекции. С таким же оборудованием, как в случае атомноабсорбционной спектромет рии, создаются газообразные гидриды металлов с раствором NaBH4 и потоком аргона направляются в плазму. Так как при этом в плазму попадает смесь из арго на, водорода и гидридов металла, плазма должна отличаться замечательной ста бильностью. Предпочтение отдается поэтому плазме на смеси азота/аргона с уве личенной мощностью высокой частоты. Было бы затруднительно составить некое оптимальное руководство по работе с разными элементами. При одновременном определении требуется постоянная высота наблюдения, так что приходится искать некое компромиссное решение применительно к разным элементам. В свете этого факта гидридная техника пред ставляет собой скорее одноэлементный метод, более пригодный для атомноаб сорбционной, чем для оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП [11.28].

11.8. Анализ твердых образцов С помощью специальных методов на основе ИСП вполне успешно можно анали зировать и твердые образцы – напрямую, без перевода в растворимую форму, что дает порой весьма значительную экономию и времени, и средств за счет исклю чения этапа подготовки проб. Однако в данном случае, как это вообще типично для работы с твердыми веществами, сильно мешает такой фактор, как неодно родности проб. Поэтому не стоит отказываться от обладающего отличной обна ружительной способностью метода растворения, позволяющего после перевода вещества в растворимую форму определять присутствующие даже в следовом ко личестве компоненты твердых образцов. Несколько миллиграммов пробы помещают в графитовый тигель, который кварцевым стержнем вводится снизу в кварцевую горелку (рис. 11.25). В позиции удерживания в нижней части плазмы проба сначала прокаливается до золы. Толь ко после этого тигель помещается в самый центр плазмы, где проба испаряется. Пар пробы улетучивается через небольшое отверстие в крышке графитового ти геля. Поскольку излучаемый свет существует лишь относительно короткое вре мя, представляется целесообразным проводить измерение с помощью спектро метра одновременного действия. При анализе твердых образцов для достижения высокой температуры плазмы рекомендуется выбирать достаточно большую мощ ность, например 3,5 кВт1.

11.8.1. Искровая эмиссионная спектрометрия Искровая эмиссионная спектрометрия известна с начала ХХ века и приобрела особое значение при проведении анализов в металлургической отрасли, где этот метод удерживает ведущие позиции до сего времени. Первоначально анализу под 1

В коммерческих приборах данный способ не используется. – Прим. ред.

354

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

Графитовый тигель

Рис. 11.25. Устройство для анализа твердых образцов

вергались и растворы, которые распылялись на электроде соответствующей кон фигурации. Однако изза многочисленных проблем (например, неравномерного высыхания жидкостной пленки и связанного с этим неравномерного искрового разряда) данная методика както не прижилась и была полностью вытеснена способами атомноабсорбционной и оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП. Для прямого анализа металлических проб искровой разрядник с его вы сокой мощностью предлагается на коммерческом уровне в качестве специаль ной дополнительной принадлежности к ИСПспектрометру. При оптической эмиссионной спектрометрии с искровым возбуждением мате риал пробы испаряется, и исходящее из искровой плазмы излучение подвергается спектральному разложению с измерением интенсивностей. Традиционная искро вая эмиссионная спектрометрия очень проста и удобна для применения на практи ке. При искрообразовании создается очень высокая энергия возбуждения. Не нуж ны ни газы плазмы, ни горючие газы, ни иные вспомогательные газообразные ве щества. Кроме прочего, искровую плазму можно сконцентрировать на небольшом пространстве, что позволяет особенно эффективно исследовать сверхмалые объе мы пробы. Искровая плазма образуется между двумя графитовыми или медными электродами. Благодаря изоформовке пробы, например путем перевода в расплав, удается в значительной мере устранить неоднородности материала [11.29]. При использовании специальных электронных способов оценки результатов можно на основе искрового возбуждения добиться еще большего понижения пре

11.8. Анализ твердых образцов

355

делов обнаружения. Здесь находит применение «эффект послесвечения» атомных линий. Интенсивности ионных линий и фона обладают более коротким време нем затухания, чем интенсивности атомных линий. Применяя технику «элект ронных окон», удается полностью исключить или хотя бы значительно снизить влияния фона и мешающих ионных линий [11.30]. Для точности градуировки правильное содержание исследуемого вещества в стандартных пробах играет не менее важную роль, чем корректный учет всех вли яний матрицы и фона. Градуировку, насколько это возможно, следует проводить на основе сертифицированного стандартного материала. Предназначенные для анализа пробы должны быть репрезентативны и представлены в безупречном со стоянии, то есть они должны быть однородны и свободны от ликваций (полос металлических включений). Высокоэнергетическое предварительное обыскривание пробы помогает уст ранить влияние структурных различий, неметаллических включений, например сульфидов, или неоднородностей в микропробах. Путем оценки одиночных раз рядов в поджигающем разрядном промежутке диффузные разряды, вызываемые, например, кислородом из окисных включений, могут быть распознаны уже в этой фазе, продолжительность которой можно регулировать в зависимости от числа отдельных безупречных искр. Это имеет значение в случае проб со структурными различиями либо выделениями разного рода. Интегрирование сигналов одиноч ных разрядов является шагом к дальнейшему совершенствованию метода. При этом измерение заканчивается не по истечении заданного времени, а по дости жении заданного числа безупречных разрядов. Спектрометрическое определение углерода и азота в сталях стало возможно в ре зультате освоения более широких интервалов длин волн в УФобласти спектра – при достаточной точности анализа и с низким пределом определения вплоть до милли онных долей. Во многих случаях оказалось, что использование дугового возбужде ния дает очень неплохие пределы обнаружения. При наличии других температур и иных механизмов возбуждения при дуговом и искровом возбуждении наблюдаемые интенсивности отличаются от линий при ИСП. Продолжительность измерения с использованием эмиссионных спектромет ров современных конструкций очень невелика. Так, в случае искровых эмисси онных спектрометров одновременного действия на анализ нелегированных проб потребуется менее 15 секунд. Даже при весьма сложном составе и большом числе подлежащих определению элементов весь процесс займет менее 1 минуты. Соче тание классической искровой спектроскопии с современной электронной техни кой детектирования и подходящим механизмом подачи образцов открывает пути к возрождению искровых методов анализа на новом, более высоком уровне.

11.8.2. Тлеющий разряд Многообещающим источником в аналитической атомной спектрометрии для ис следования твердых веществ представляется ионизация посредством тлеющего разряда [11.31]. Спектроскопия на основе тлеющего разряда позволяет проводить быстрое, одновременное, многоэлементное определение элементов, в том числе

356

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

и неметаллов, если работа ведется в вакуумном ультрафиолете. Тлеющие разряды есть разряды низкого давления между двумя электродами. Анализируемый мате риал образует катод газоразрядной трубки ограниченных размеров и специаль ной геометрии. Между анодом и катодом прикладывается потенциал в несколько сотен вольт. Благодаря протеканию тока в газе (аргоне) при низком давлении в результате катодного распыления атомы материала катода попадают в разрядную зону, где они ионизируются и возбуждаются. Излучаются линейчатые спектры, которые наряду со спектральными линиями разрядного газа содержат спектры атомов катодного материала. Подобные разряды уже давно используются в лам пах с полым катодом в качестве источника первичного излучения при атомно абсорбционной спектрометрии. При тлеющем разряде для прямого анализа твердых веществ проба возбужда ется посредством атомарного катодного распыления при низком давлении [11.32]. Катодное распыление под действием тлеющего разряда аргона осуществляется в аппаратуре, разработанной и запатентованной В. Гриммом [11.33]. На основе раз ности потенциалов между тлеющим разрядом и катодом, обозначаемой как ка тодное падение, генерируемые в плазме, в большинстве своем положительно за ряженные ионы ускоряются по направлению к катоду. С определенной величины кинетической энергии ионов, именуемой пороговой энергией, начинается упо мянутое выше катодное распыление. Процесс распыления есть результат серии импульсов, при которых атомы вследствие импульсной передачи могут покинуть пробу и попасть в разряд. Частицы, выбитые из катодного материала пробы, воз буждаются в плазме при столкновениях с электронами или метастабильными ато мами аргона, испуская затем свой линейчатый спектр. В отличие от электрической дуги или искр, износ имеет место не по причине испарения электрода в результате локального перегрева. Это означает, что деструк ция поверхности проходит под строгим контролем. Тлеющий разряд есть однород ный и стабильный источник излучения, позволяющий проводить послойное иссле дование процессов в глубине элементов. Протекающее почти плоскопараллельно убывание пробы вследствие катодного распыления, со скоростью уноса от несколь ких нм/с до нескольких сотен нм/с, дает возможность регистрировать концентраци онные процессы перпендикулярно поверхности [11.34]. При используемых для ана литических целей параметрах тлеющего разряда вся катодная поверхность оказы вается втянутой в разряд. В то время как ход анализа идентичен качественному эмис сионному определению, продолжительность измерения при тлеющем разряде составляет не более пары миллисекунд [11.35]. При этом вполне достижима глуби на проникновения от нескольких нанометров до многих сотен микрометров1. Тлеющие разряды постоянного тока предполагают наличие электропроводящих проб, хотя с разрядами низкого давления (при давлении газа несколько мбар) при высоких частотах в МГцдиапазоне могут исследоваться и пробы, не обладающие электропроводимостью [11.36]. В качестве плазменного газа используется чаще всего аргон, отличающийся хорошими распылительными свойствами. По причине низ 1

Максимальная глубина изучаемого слоя составляет только десятки микрометров. – Прим. ред.

11.8. Анализ твердых образцов

357

кого давления газа спектральные линии по сравнению с линиями, испускаемыми дугами и искрами, показывают лишь незначительное уширение. Узкие линии ато мов и ионов обеспечивают пределы обнаружения в нижней области миллионных долей, причем динамический диапазон концентраций может простираться на не сколько десятичных порядков. Матричные эффекты в случае тлеющих разрядов расцениваются скорее как низкие, зависимость между интенсивностью спектраль ных линий и концентрацией почти всегда остается линейной [11.37].

11.8.3. Микроплазмы, индуцированные лазерным излучением Если на пробу направить луч лазера, то в течение 10–9–10–8 секунд материя испаря ется и переходит в состояние плазмы, для чего, как правило, достаточно всего од ного сеанса облучения. Индуцированная лазерным излучением плазма измеряется затем оптическим эмиссионным спектрометром. Свет лазера на иттрийалюмини евом гранате, легированном неодимом, с помощью линзы фокусируется на пробе. Излучаемый свет собирается параболическим зеркалом и по волоконному свето воду направляется в спектрометр. При использовании электронных детекторных матриц возможно многоэлементное измерение на большом интервале длин волн. С соответственно высокой мощностью облучения лазерными импульсами в нано секундном диапазоне достигается возбуждение практически всех элементов, при чем за одно облучение с поверхности испаряется несколько микрограммов веще ства. Полный период измерения и анализа длится всего 100 миллисекунд. Как следствие сложных процессов образования и рекомбинации плазмы на ступает – наряду с эмиссией спектральных линий – также непрерывное и тор мозное1 излучение. Чтобы обеспечить отнесение линий спектра излучения отдель ных атомов из перекрывающего фона, процессы затухания при рекомбинации плазмы прослеживают с высоким разрешением во времени. Этот запатентован ный способ, рассчитанный на сверхбыстрое многоэлементное определение, реа лизуется с помощью настольного спектрального прибора или автоматизирован ной установки, действующей в непрерывном режиме [11.38].

11.8.4. Метод графитовой трубчатой печи Атомноэмиссионная спектрометрия по методу графитовой трубчатой печи от личается своим потенциально многоэлементным характером. Однако необходи мо принимать во внимание, что достигаемые в печи максимальные температуры составляют порядка 3000°С. Это означает, что под действием соответствующей тепловой энергии эффективно возбуждаться могут только атомы с низкой энер гией возбуждения. Опираясь на эту предпосылку, Г. Фальк создал печь для атомной нетермической эмиссионной спектрометрии (furnance atomic nonthermal emission spectrometry FANES) [11.39], где электротермическая атомизация в графитовой трубчатой печи сочетается с возбуждением атомов посредством тлеющего разряда. Проба, как и при методике атомноабсорбционной спектрометрии, сначала высушивается в графито 1

Для плазмы оптических квантовых генераторов тормозное излучение не возникает.

358

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

вой трубке и подвергается пиролизу. Затем в кювете создается вакуум, после чего син хронно происходят электротермическая атомизация и тлеющий разряд. Графитовая трубка при этом действует как катод относительно вспомогательного анода. Излучение, испускаемое возбужденными атомами, может разлагаться в поли хроматоре, так что данная методика вполне пригодна для проведения многоэле ментного анализа в следовом диапазоне. Благодаря использованию гелия в каче стве разрядного газа удается определять и многие неметаллы, например P, S, Cl, N и О. К недостаткам этого метода можно отнести, вопервых, необходимость со здания вакуума и, вовторых, появление дополнительных матричных эффектов на этапе возбуждения.

11.9. Выбор спектрометра для элементного анализа И атомноабсорбционная спектроскопия, и эмиссионная спектрометрия с ИСП находят применение при анализе металлов, но имеют определенные методичес кие различия и, следовательно, обладают разными достоинствами. При выборе правильного спектрометра для проведения того или иного анализа решающим фактором является ответ на вопрос: как именно его предстоит использовать? Для спектроскописта одинаково важны многие аспекты, в том числе: ожидаемые об ласти концентрации, число подлежащих определению элементов, вид исследуе мой пробы и общие лабораторные затраты [11.40]. Для выполнения всех необходимых условий нужна информация касательно достоинств и недостатков рассматриваемого оборудования. Нередко правильный выбор затрудняется в силу того, что ни атомноабсорбционный спектрометр, ни оптический эмиссионный ИСПприбор не способны каждый в отдельности в полной мере выполнить все без исключения требования. Один какойто метод сам по себе редко оправдывает даже умереннооптимистичные ожидания, и оста ется сделать вывод, что для корректного анализа понадобятся сразу оба указан ных аналитических инструмента [11.41]. Атомноабсорбционная спектрометрия считается относительно недорогим спо собом анализа. Для определения небольшого числа элементов в рутинной лабора торной практике скорее предпочитают использовать пламенную версию этого ме тода, чем разрабатывать соответствующую программу анализа для оптической эмис сионной спектрометрии с применением ИСП. Ситуацию усугубляет еще то обсто ятельство, что определенные пробы бывает крайне сложно исследовать с помощью одной методики, но очень легко сделать это с применением другой. Не следует за бывать также о возможных химических помехах при атомноабсорбционной спек трометрии и о спектральных помехах при оптической эмиссионной спектромет рии с ИСП. Легкость реализации метода при благоприятных инвестиционных и эксплуатационных затратах является характерным признаком пламенной атомно абсорбционной спектроскопии. Тот же метод, но на основе графитовой трубчатой печи, демонстрирует значительно более высокую чувствительность обнаружения, позволяющую с помощью подходящей программы «температура – время» осуще ствлять предварительное разделение матрицы и определяемого элемента [11.42].

11.9. Выбор спектрометра для элементного анализа

359

Оптическая эмиссионная ИСПспектрометрия дает особые преимущества при необходимости определении нескольких элементов в кратчайшие сроки [11.43]. Но зато здесь требуются более значительные объемы исследуемого вещества, не достигаются пределы обнаружения, характерные для атомноабсорбционной спек трометрии с графитовой трубкой, а высокий расход аргона увеличивает общие затраты [11.44]. Работу ИСПспектрометра трудно представить без компьютер ной поддержки. Стремительная компьютеризация стала фактически одной из причин успешного совершенствования техники на основе ИСП. При этом ком пьютер выполняет, в частности, следующие задачи: • • • • • •

управление общей работой устройства, долговременное хранение методик в памяти, контроль схем защиты, градуирование, коррекция фона и графическое представление данных.

Именно графическое отображение информации представляет особую важ ность при разработке программ проведения анализов. Соответствующая програм ма распознает помехи и устанавливает точки измерения спектрального фона. Для критической оценки фоновой коррекции оказывается весьма полезным делом внимательное рассмотрение имеющихся исходных данных. Если в аналитической лаборатории требуется определить концентрации ме таллических элементов, необходимо сначала внести ясность в вопрос о том, ка ковы здесь ожидаемые области концентрации, сколько элементов подлежит оп ределению, какой вид проб будет исследоваться. При использовании спектромет ров одновременного действия потребуется минимум времени на определение од ного элемента, зато невозможен гибкий выбор аналитических линий, что совершенно необходимо, например, в случае проб с сильно изменяющимся со ставом. При последовательных спектрометрах определение каждого элемента от нимает достаточно много времени, но зато можно проводить гибкие многоэле ментные определения при индивидуальном отборе линий спектра излучения с учетом способности к обнаружению и минимальных спектральных интерферен ций. Наилучшее решение предлагают сегодня ИСПприборы с эшелле, которые в сочетании с детекторным прибором с инжекцией заряда обеспечивают высо кую гибкость выбора линий и коррекции фона при одновременном измерении, и все это при весьма компактном исполнении спектрометров. Сначала может показаться, что из всех приборов для оптической эмиссион ной спектрометрии с ИСП более всего подойдет ИСПспектрометр последова тельного действия, но это будет опрометчивый вывод, ибо здесь многое зависит от специализации конкретной химикоаналитической лаборатории. Вообщето, сравнение последовательного ИСПспектрометра и атомноаб сорбционного спектрального прибора сродни сравнению яблок с грушами, и, тем не менее, многие спектроскописты пытаются решить эту задачу. Сначала срав нивались только рабочие температуры в ИСП до 10 000°С с предельной темпера турой 2900°С при атомноабсорбционной спектрометрии. Теперь уже существу

360

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

ют подходы к сравнению этих методик по числу параметров, которые обязатель но должны учитываться и оцениваться, прежде чем аналитик сделает выбор в пользу той или иной системы.

11.9.1. Пределы обнаружения Существуют самые разные дефиниции для характеристики такого параметра, как предел обнаружения. Международный союз в области чистой и прикладной хи мии IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) определяет предел обнаружения (detection limit) как минимальное, еще поддающееся детектирова нию, содержание элемента. Это то содержание, которое выдает измеряемый сиг нал, отличающийся от фона, то есть этот сигнал будет больше тройного стандар тного отклонения фонового рассеяния. Данная информация создает возможность для теоретических сравнений, но не позволяет установить, в какой реальной об ласти концентраций следует проводить стандартные измерения.. Большинство изготовителей ИСПприборов довольно скромно указывают предел обнаружения у своего оборудования. Они используют для этой цели так называемые величины ВЕС (Backround Equivalent Concentration) и IEC (Interferent Equivalent Concentration). ВЕС определена как концентрация элемента, подающая тот же сигнал на выб ранной длине волны, что и излучение фона. Следовательно, эта величина обус ловлена фоновым излучением плазмы, излучением компонентов матрицы, высо той наблюдения плазмы и характеристикой распыления. IEС есть показатель спек тральных помех, определяемый как содержание измеряемого элемента, условно фиксируемое при определенной концентрации мешающего элемента без коррек ции фона. Величины IEC установлены на основе практических измерений и дают пользователю – через соответствующую характеристику – сведения одновремен но о силе и виде помех. И все же многие имеют весьма превратное представление о том, чего именно можно достичь с помощью оптической эмиссионной ИСПспектрометрии. Не которые находятся в плену неоправданных ожиданий касательно того, что для большинства элементов пределы обнаружения при ИСП сравнимы преимуще ственно с пределами обнаружения в пламенной атомноабсорбционной спектро скопии. Можно согласиться с тем, что оптическая эмиссионная ИСПспектро метрия более благоприятна для тяжело поддающихся атомизации элементов и неметаллов, таких как P, S, B, Al, V, Ba или Ti, а пламенная атомноабсорбцион ная спектрометрия более подходит для летучих элементов и металлов первой глав ной группы, таких как Pb, Cd, Zn, Na и K. Атомноабсорбционная спектроско пия по методу графитовой трубчатой печи обеспечивает для большого числа эле ментов наилучшие пределы обнаружения и является методом, абсолютно пред назначенным для ультраследовых анализов. Кроме прочего, анализ с графитовой трубкой обходится лишь несколькими микролитрами пробы на каждое определе ние и, таким образом, не имеет альтернативы, когда для определения следовых количеств в распоряжении имеется ничтожный объем вещества для пробы. При оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП матрица определяет от бор линии из спектра. Во избежание спектральных помех часто приходится ухо

11.9. Выбор спектрометра для элементного анализа

361

дить на, возможно, менее чувствительную линию спектра излучения. Поэтому по казатели пределов обнаружения ни в коем случае нельзя обобщать, поскольку при веденные данные в большинстве случаев относятся именно к самой чувствитель ной линии спектра излучения. Для элементов, образующих газообразные, ковалентные гидриды, атомно абсорбционная спектрометрия на основе гидридной техники обеспечивает наи лучшие пределы обнаружения и, кроме того, реализуется быстро и без особых проблем. И наконец, атомноабсорбционная спектроскопия по принципу холод ного пара по своей чувствительности и надежности при определении ртути остав ляет далеко позади себя все прочие методы.

11.9.2. Линейная динамическая рабочая область В этом плане эмиссионная спектрометрия имеет большие преимущества перед атомноабсорбционной спектрометрией. Пламенная атомноабсорбционная спек троскопия имеет линейную область всего около 103, которую с помощью коррек ции градуировочного графика с несколькими стандартами можно расширить при мерно в 5 раз. В отличие от нее, линейная динамическая рабочая область опти ческой эмиссионной спектрометрии с ИСП составляет почти 105. Это объясняет ся тем, что, благодаря относительно малому расходу пробы удается в значительной степени избежать процессов поглощения невозбужденными атомами в краевых зонах плазмы. Большая линейная область приобретает особую важность, когда приходится определять множество элементов в одной пробе, так как могут измеряться высо кие концентрации и следы в той же самой пробе из одного разбавления. И в до вершение, обширная линейная область способствует упрощению процессов про боподготовки и калибровки.

11.9.3. Скорость измерения Часто подчеркивается, что ИСПспектрометры одновременного действия позво ляют проводить 3600 определений в час, то есть одно определение в секунду. Ко нечно, одновременный спектральный прибор обладает чрезвычайно высокой про пускной способностью, но стоит напомнить о том, что для каждой пробы требу ется определенное время на впрыскивание, пока ее концентрация в факеле не достигнет равновесия и можно будет начать измерение. После достижения рав новесия прибор определяет измеряемую величину, сдвигает длину волны для из мерения фона, измеряет фон и вычисляет концентрацию. Непрерывная подача проб приводит к появлению постоянного во времени аналитического сигнала, так что при последовательной работе можно линии спек тра излучения определяемых элементов отрабатывать одна за другой. Чтобы при последовательном многоэлементном измерении удержать на низком уровне рас ход проб и продолжительность анализа, необходим быстрый и точный подвод аналитических линий и точек фона. Поэтому рекомендуется применять высоко прецизионные приводы дифракционных решеток и соответствующие стандарт ные программы поиска спектральных линий.

362

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

С точки зрения разработки методики и с учетом малого числа проб пламенная атомноабсорбционная спектрометрия гораздо проще в реализации. Для большин ства анализов требуется всего лишь точно следовать указаниям изготовителя обо рудования либо – в случае современных приборов – вызвать соответствующую про грамму анализа из памяти ПК. При оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП наибольшую трудность представляет контроль за появлением спектральных помех и принятие мер по их ослаблению. Далее, приходится проверять в отношении каж дого элемента наличие возможных фоновых эффектов. Кроме того, настоятельно ре комендуется убедиться в правильности высоты наблюдения, оптимизировать подачу энергии к плазме и скорость всасывания раствора пробы, а также изготовить сравни мые многоэлементные стандарты. Если программа проведения анализа уже составлена и сохранена в запомина ющем устройстве, то ситуация выглядит совсем иначе: при запросе этой програм мы прибор автоматически вводит предварительно установленные параметры. Скорость измерения при атомноабсорбционной спектроскопии варьируется у моделей от разных изготовителей. Псевдодвухлучевые атомноабсорбционные спектрометры выполняют измерения, длящиеся трижды по 4 секунды, затем при мерно на 5 секунд горелки или зеркала выводятся из оптического луча, далее вновь идет измерение в течение 4 секунд, после чего горелки возвращаются на следую щие 5 секунд. В целом получается примерно 26 секунд на пробу и элемент. Насто ящие двуххлучевые спектрометры обычно гарантируют проведение точного ана лиза за 3 секунды из расчета на пробу и элемент1. Скорость анализа имеет смысл принимать во внимание только в том случае, если интерес представляют концентрации совсем небольшого числа элементов. Процесс замены одного элемента другим длится у атомноабсорбционного спек трометра около 2 минут. Если соответствующим образом изменить время стаби лизации пламени, время вызова программы и срабатывание монохроматора, то точка пересечения, в которой обычно ускоряется работа с ИСП, будет находиться в области стандартного измерения примерно шести элементов. Если для опреде ления нескольких (однако немногих) элементов предлагается однаединственная проба, то в таком случае атомноабсорбционная спектроскопия окажется в своем действии гораздо быстрее.

11.9.4. Помехи При оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП химические взаимодействия в принципе особой роли не играют. И все же наряду с минимальными проблемами ионизации не исключена и опасность появления спектральных помех. При пла менной атомноабсорбционной спектрометрии химические взаимодействия весь ма значительны, спектральных помех практически не существует, а проблемы иони зации легко преодолимы. Атомноабсорбционная спектроскопия по методу гра фитовой трубчатой печи не обременена проблемами ионизации, но создает доста 1

Как правило, и в этом случае необходимо не менее трех измерений, т.е. требуется не мене чем 3 × 3 = 9 с на измерение одного элемента. – Прим. ред.

11.10. Плазменная массспектрометрия

363

точно сложностей химического характера и ряд спектральных помех, которые, впро чем, успешно устраняются посредством зеемановской коррекции фона.

11.9.5. Воспроизводимость При оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП воспроизводимость в стан дартном варианте составляет от 0,5 до 2%; воспроизводимость при длительной работе (от 1 до 8 часов) достигает 2–5%. При пламенной атомноабсорбционной спектроскопии воспроизводимость обычно находится на уровне 0,1–1%, однако при измерении в течение достаточно длительного времени нередко требуется но вая градуировка. При атомноабсорбционной спектроскопии по методу графи товой трубчатой печи, как правило, отмечается воспроизводимость от 1 до 5%, если речь идет о нормальном режиме работы.

11.9.6. Прочие важные аспекты Согласно принятым в большинстве стран нормам охраны труда и правилам тех ники безопасности, пламенный атомноабсорбционный спектрометр нельзя ос тавлять совсем без надзора: этот прибор может быть задействован только в при сутствии квалифицированного персонала. В то же время оптическая эмиссион ная спектрометрия с ИСП, как и атомноабсорбционная спектроскопия с графи товой трубкой, могут автоматически функционировать даже ночью, что позволяет продлить рабочую смену с 8 до 24 часов. Следующий аспект, который необходимо принимать в расчет, это инвестицион ные и эксплуатационные затраты. Стоимость газа, энергии и расходных материалов при оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП будет выше, чем при атомно абсорбционной спектроскопии по методу графитовой трубчатой печи, которая, в свою очередь, окажется дороже пламенной атомноабсорбционной спектрометрии. ИСП спектрометры одновременного действия имеют очень высокую первоначальную сто имость. Последовательные ИСПприборы не столь дороги, но все же их цена превы шает таковую для атомноабсорбционных спектрометров с графитовой трубкой, ко торые опятьтаки дороже пламенных атомноабсорбционных спектрометров. Это всего лишь несколько моментов, которые совершенно необходимо учи тывать при выборе между атомноабсорбционным спектральным прибором и оп тическим эмиссионным ИСПспектрометром. Цена или технические особенно сти не могут стать единственными критериями; крайне важно, чтобы каждый ис следователь получил инструмент соответственно своим запросам, а не довольство вался тем немногим, что было под рукой и не способно принести полного удовлетворения по окончании эксперимента.

11.10. Плазменная массспектрометрия Если попросить химикааналитика сформулировать свои требования к идеально му прибору для проведения следовых анализов, то он назовет возможность пра вильного и воспроизводимого определения как можно большего числа элементов в самых ничтожных концентрациях за минимально короткое время и с умеренными

364

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

затратами. Исходя из этой установки, все внимание следовало бы сосредоточить на оптической эмиссионной спектрометрии, функционирующей с ИСП в качестве источника возбуждения. Однако справедливости ради придется отметить, что в от ношении многих элементов, значимых в сфере исследования объектов окружаю щей среды, не удалось существенно улучшить пределы обнаружения. Аналитики предпочитали проводить ультраследовые анализы методом атомноабсорбционной спектроскопии с использованием графитовой трубчатой печи, а этот метод, как известно, относится к технике одноэлементного определения. В начале 80х годов Гук с соавторами дал описание способа применения ИСП в качестве ионного источника для массспектрометрии [11.45]. Два безусловных компонента следовой аналитики: • простую и надежную подачу проб в ИСП как ионном источнике и • универсальное и чувствительное детектирование образовавшихся ионов на основе массспектроскопии – объединяет в себе плазменная массспектрометрия, предлагая в итоге высокоэф фективный метод анализа, отличающийся быстротой и чувствительностью и рас считанный на проведение • многоэлементного и • изотопного анализов. Возможные пределы обнаружения при плазменной массспектрометрии порой на несколько десятичных порядков ниже, чем при оптической эмиссионной спек трометрии с ИСП [11.46]. Это наблюдается, в частности, при оптимизации обоих методов с расчетом на одноэлементное определение. Достоинства элементной масс спектрометрии, как то: высокая чувствительность обнаружения, большая пропуск ная способность при измерении сразу нескольких элементов и пригодность для определения изотопов, с одной стороны, удобный способ подачи проб при ИСП, с другой стороны, – дают в итоге новый эффективный метод элементной аналитики. Низкие пределы обнаружения до области триллионных долей есть одно из глав ных преимуществ плазменной массспектрометрии, причем практически все эле менты или, по крайней мере, их принципиальное большинство, в отличие от дру гих атомноспектрометрических методов, могут определяться с очень близкой чув ствительностью обнаружения [11.47]. В отношении тяжелых металлов, таких как кадмий и ртуть, эта чувствительность столь же хороша (ниже 1 нг/л), как и при атомноабсорбционной спектроскопии с графитовой трубкой. В случае редкозе мельных металлов предел обнаружения даже на два порядка ниже, чем при газовой атомноабсорбционной спектроскопии [11.48]1. Обязательным условием подобной ультраследовой аналитики является, безусловно, чистый воздух в лаборатории. Хотя плазменная массспектрометрия не является методом поистине одно временного многоэлементного определения, она позволяет все же определять большое число элементов пробы за очень короткое время. В принципе обнару 1

Предел обнаружения редкоземельных элементов на 5–6 порядков лучше, чем в пламенной атомноабсорбционной спектрометрии. Электротермическая атомизация для данных эле ментов практически не используется изза их эффекта карбидообразования. – Прим. ред.

11.10. Плазменная массспектрометрия

365

жить можно любой из элементов периодической системы. Плазменная массспек трометрия идеально подходит для проведения ускоренного обзорного анализа. Итак, с помощью плазменной массспектрометрии можно за две минуты прове рить, какие элементы периодической системы присутствуют в пробе. В то время как при оптической эмиссионной спектрометрии для некоторых эле ментов получают до тысячи линий в спектре, в случае массспектроскопии имеют всего одну спектральную линию на массу. У определяемых элементов – от лития до урана – фиксируется 333 естественных изотопа с массой m в диапазоне от 6 до 240 а.е.м. Этими изотопами покрывается вся периодическая система элементов. Раз ные изотопы любого элемента определяются одновременно даже в сложных про бах. Но, естественно, и здесь есть ограничения при анализе реальных проб. Массспектрометрическое детектирование обеспечивает заметно лучшую чув ствительность, чем обнаружение оптическим способом [11.49]. Определение эле ментов с помощью плазменной массспектроскопии основано на измерении мас сы соответствующего элемента и получении сведений о его фундаментальных ха рактеристиках. Но технологию производства оборудования для плазменной масс спектроскопии с ее чрезвычайно высокими техническими требованиями на первых порах смогли освоить лишь немногие изготовители: на сегодняшний день во всем мире не наберется и десятка надежных фирм, предлагающих оборудование для плаз менной массспектрометрии. В этой технологии предстоит сделать еще много от крытий. Данный метод спектроскопического анализа отнюдь не дешев, но струк тура цен в связи с возросшей конкуренцией на рынке постепенно меняется в сто рону понижения. С момента ввода в 1983 г. первого поколения спектрометров тако го типа приборостроители добились значительного прогресса с точки зрения надежности, удобства обслуживания и способности этих приборов к обнаружению.

11.10.1. Техника и методика массспектрометрии с ИСП Из анализируемого раствора в распылительной камере образуется тонкодисперс ный аэрозоль, который в плазме быстро десольватируется и испаряется. В центре плазмы молекулы полностью диссоциируют, а элементы при атмосферном давле нии и температурах от 7000 до 10 000 К ионизируются. Почти у всех элементов степень ионизации составляет более 90%. Из центра плазмы в большинстве сво ем однократно положительно заряженные ионы через сопрягающую зону попа дают в массспектрометр. В этой зоне давление, с учетом рабочих условий масс спектроскопии, посредством вакуумного насоса уже снижено до нескольких торр. При этом большая часть газа аргона отсасывается. Ионы проходят сначала через две охлаждаемые водой металлические точеч ные диафрагмы с диаметром отверстий около 1 мм, выполняющие функции от бора и отделения. При этом ионы фокусируются в единый ионный пучок и на правляются в «ионную оптическую систему» (рис. 11.26). В этой зоне захватыва ются преимущественно фотоны, также генерируемые в плазме. Квадрупольный массспектрометр действует как массфильтр, отделяя ионы соответственно их

366

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами Квадрупольный масс/спектрометр Отбор

Ионный детектор

Отделение

ИСП

Распылитель Ионная оптическая система Насос

Насос Ионный источник ИСП

Вакуумная система

Рис. 11.26. Схема сопряжения для плазменной массспектроскопии

отношению масса/заряд. Ионы измеряются, например, с помощью канального электронного умножителя (сhannel еlectron multiplier). Спектральный выход со стоит из ряда изотопных пиков, соответствующих естественным изотопам ионов анализируемого вещества в растворе.

11.10.2. ИСП в качестве ионного источника Ионный источник чрезвычайно влияет на качество измерения. Индуктивно свя занная аргоновая плазма действует как очень эффективный источник при гене рации однозарядных ионов почти для всех элементов. Но оптимальная мощность такой системы возбуждения зависит от ряда параметров, например от стабильно сти передачи энергии посредством генератора высокой частоты и безотказной работы механизма ввода проб (при постоянном объемном расходе газа в распы лителе и плазменном факеле). Как на уровне подачи проб, качества используе мых плазм, характеристик массспектрометров, так и на уровне сбора и обработ ки данных отмечается в последние годы заметный технический прогресс. Для ввода проб, наряду с пневматическим распылением, известным из области оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП, успешно используется также электротер мическое испарение. При наличии сухих аэрозолей удается избежать некоторых помех с ионными пучками и значительно улучшить предел обнаружения отдель ных элементов, например Fe и As. Для прямого анализа твердых образцов предла гается в качестве принадлежности лазерный испаритель. Подобная техника пред ставляет потенциальный интерес как для новых областей применения, так и для анализа керамических образцов либо материалов из сферы микроэлектроники.

11.10.3. Сопряжение массспектрометри с ИСП При экспериментальной реализации плазменной массспектрометрии требуется высокопроизводительная насосная система – для поддержания вакуума массспек трометра при довольно большой апертуре с целью всасывающей подачи ионов

11.10. Плазменная массспектрометрия

367

против атмосферного давления ИСП. Задача механизма сопряжения в плазмен ной массспектрометрии состоит в обеспечении возможности вхождения в масс спектрометр образовавшихся в плазме ионов. При этой главной проблемой ста новится переход от нормального давления ионного источника к рабочему давле нию квадрупольного массспектрометра в диапазоне от 10–4 до 10–5 торр1, для чего приходится прибегать к помощи насосной системы. Помимо прочего, в зоне сопряжения отфильтровываются посредством спе циальной «ионной оптики» выокоэнергетические фотоны, поскольку счетчик импульсов срабатывает и на специфичности такого рода.

11.10.4. Массспектрометры Как и при любом другом способе анализа, эффективность системы здесь тоже определяется преимущественно качеством детектора. Квадрупольный массспек трометр отбирает ионы в соответствии с их отношением масса/заряд, то есть че рез такой массфильтр проходят только ионы одинаковой массы. Путем измене ния характеристик фильтра можно регистрировать более широкие области масс спектра. В заключение ионы измеряются с помощью канального электронного умножителя2, причем выбирается один из следующих рабочих режимов: • регистрация полных массспектров (диапазон измерения от 0 до 300), • регистрация любых диапазонов массы и • регистрация масс выбранных элементов (изотопов). Высокая чувствительность, с одной стороны, обеспечивает низкие пределы обнаружения, с другой стороны, обусловливает верхнее ограничение используе мого диапазона измерения. В деле достижения оптимальной эффективности масс спектрометра не обойтись без низких давлений, создаваемых высокопроизводи тельными диффузионными насосами3. Эти насосы призваны откачивать, поми мо аргона, еще и гелий, когда для решения специальных аналитических задач ис пользуется гелиевая плазма.

11.10.5. Преимущества плазменной массспектрометрии По сравнению с классическими спектрами оптической эмиссионной спектромет рии с ИСП, ИСПмассспектры отличаются чрезвычайной простотой и свобод ны от помех, вызываемых матрицами4. Количественное определение легко осу ществляется при работе со стандартными образцами или при разбавлении ста бильных изотопов, причем последний способ применим почти к 90% элементов периодической системы. Обусловленное низким пределам обнаружения решаю щее преимущество плазменной массспектрометрии заключается в повышении надежности и достоверности результатов анализа. 1

1 торр = 133, 322 Па. – Прим. ред. Обычно используется вторичный электронный умножитель. – Прим. ред. 3 Здесь применяются турбомолекулярные насосы. – Прим. ред. 4 Матрица вызывает изобарные и полиатомные помехи. – Прим. ред. 2

368

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами Сигнал

Атомная масса

Рис. 11.27. Пример многоэлементного определения на основе плазменной масс спектрометрии

Линейная рабочая область концентраций простирается обычно на 4–5 декад, что является более благоприятным показателем, чем это имеет место в случае опти ческой эмиссионной спектрометрии с ИСП. При современных динодных детекто рах вся динамическая рабочая область может быть расширена вплоть до 8 декад. Это свойство плазменной массспектрометрии значительно ускоряет процесс про хождения проб при стандартном измерении, поскольку здесь можно отказаться от разбавления, отнимающего много времени и чреватого появлением помех. Кро ме того, благодаря столь ярко выраженной линейности сильно упрощается реше ние проблемы градуировки, особенно при проведении многоэлементного анали за [11.50]. С другой стороны, при соответствующем разбавлении проб иногда уда ется косвенно снизить возможные матричные эффекты. Наряду с лучшей обнаружительной способностью, иногда в 100 раз превыша ющей таковую при оптической эмиссионной ИСПспектроскопии, следует упо мянуть еще одно достоинство плазменной массспектрометрии: здесь спектраль ные помехи для матриц со спектрами излучения с большим число линий оказы ваются значительно слабее, чем при оптической эмиссионной спектроскопии с ИСП, то есть вы получаете простой линейчатый спектр 250 масс, а не спектр с почти 100 000 линий спектра излучения (рис. 11.27). Проблемы помех в большей их части счастливым образом разрешены. Для это го предлагается либо изменить параметры плазмы, либо использовать смесь в каче стве плазменного газа, либо, в конце концов, найти линию без помех, ведь боль шинство элементов обладает множеством изотопов1. При интерпретации спектров относящееся сюда программное обеспечение учитывает определенные критерии оценок, среди которых: естественное соотношение изотопов в элементах и вызы ваемые окислами металлов помехи, наличие ионов с двойным зарядом и т.д. У кого хватит денег, тот может вместо квадрупольного массспектрометра приобрести обла дающий высоким разрешением массспектрометр с секторным магнитным полем. 1

18 элементов Периодической таблицы являются моноизотопными. – Прим. ред.

11.10. Плазменная массспектрометрия

369

11.10.5.1. Полуколичественный анализ Полуколичественным способом измерения можно за совсем короткое время осу ществить регистрацию элементного спектра неизвестной пробы и определить, какие элементы в значимой концентрации содержатся в данной пробе. Так как чувствительность массспектрометра остается равномерной во всей области масс, то элементы могут определяться примерно с одинаковой чувствительностью1. Од новременно это означает, что экспрессные полуколичественные анализы могут проводиться без применения градуировочных стандартов2. Как правило, получен ные при этом результаты отличаются от фактического значения максимум на 30%. Таким образом, в случае незнакомых проб удается получить данные высокой ин формативности по всему массдиапазону, потратив на это менее минуты. 11.10.5.2. Определяемые элементы При измерениях плазменными массспектрометрами речь идет, как в случае спек тральных приборов для атомноабсорбционной спектроскопии и оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП, о работе с растворами, так что представля ется вполне логичным применение этого оборудования при проведении анали зов воды. По крайней мере, можно оставить без изменений испытанные при ис следованиях такого рода операции по подготовке проб. Это касается, в частно сти, применения азотной кислоты в качестве реагента для перевода вещества в растворимую форму. С помощью плазменного массспектрометра с лазерной аб ляцией возможно также изучение проводящих и непроводящих твердых веществ, поэтому данная методика находит применение в том числе и при анализах следо вых количеств керамики. Тогда сфокусированный луч лазера направляется на по верхность материала, вследствие чего он испаряется и атомизируется. В присое диненном традиционном плазменном массспектрометре атомы затем ионизи руются и разделяются с селекцией по массе. Эти приемы позволяют также прове дение локальных анализов на основе распределения элементов с поперечной разрешающей способностью около 10 мкм [11.51]. Плазменная массспектроскопия позволяет проводить измерение почти всех эле ментов периодической системы. Возможен даже количественный анализ отрицатель но заряженных ионов, образуемых фтором, хлором и бромом. Исключение составля ют аргон, азот и кислород как компоненты газа плазмы и, соответственно, аэрозоля. Но даже и эти три элемента могут определяться данным методом с достаточно высо кой чувствительностью обнаружения, но подобный анализ представляется нецеле сообразным, поскольку указанные элементы присутствуют практически повсюду. 11.10.5.3. Аналитические ограничения Плазменную массспектрометрию вряд ли можно признать аналитическим «супер методом», и не только по причине связанных с нею внушительных затрат. Спект ральные помехи способны основательно потрепать нервы аналитику. Ионы моле 1

Чувствительность определения самых легких элементов примерно на два порядка хуже, чем тяжелых. – Прим. ред. 2 Необходим один градуировочный стандарт, содержащий 3–5 элементов с легкими, сред ними и тяжелыми массами. – Прим. ред.

370

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

кул, образовавшиеся из содержащихся в пробе элементов, а также из кислорода или остатков растворителя в потоке плазмы, могут перекрыть в массспектре ли нию определяемого элемента. Сама плазменная среда – аргон – легко образует с изотопом кислорода ион 40Ar/16O с массовым числом 56, перекрывающий главную линию железа с идентичным массовым числом. Сильно мешают и так называемые изобарные интерференции. Так, изотоп титана с массовым числом 48 перекрыва ется с редким изотопом кальция 48. В случае более легких элементов тоже возможны определенные ограничения, поскольку аналитические сигналы перекрывается с сигналами других ионов. Объяс нить это можно низким разрешением квадрупольных массфильтров. К мешаю щим сигналам относятся сигналы аргонсодержащих ионов – Ar+, ArOH+, ArCl+ и полиатомных ионов – H2O+, NH+, CO+, а также сигналы других изотопов, сопут ствующих элементов, двухзарядных ионов, окислов анализируемого вещества и т.д. Эти помехи не просто ограничивают чувствительность обнаружения при анализе реальных проб, но способны стать причиной систематических погрешностей. При плазменной массспектрометрии не исключены также ионизационные помехи, вызываемые смещениями ионизационных равновесий при наличии сопутствую щих элементов либо изменением геометрии плазмы. С учетом этого обстоятель ства количественные анализы выполняются здесь, как правило, по методу добавок. Поскольку естественная распространенность изотопов у большинства элемен тов постоянна и точно известна, то можно вычислить возможные изобарные пе рекрытия. Неоценимую помощь в распознавании помех оказывают специальные программные средства. При количественном определении можно избежать по тенциальных помех от изобарных ионов элементов и молекул, прибегнув к соот ветствующей вычислительной коррекции, причем естественное изотопное отно шение у отдельных элементов сохраняется в программной памяти. Например, большой интерес представляет указание отношения Ва2+/Ва+ или, соответствен но, ВаО+/Ва+, ибо в этих примерах можно усмотреть тенденцию формирования специфичностей мешающих ионов. Более проблематичны спектральные наложения многоатомных ионов, по скольку образование этих специфичностей в значительной мере зависит от аппа ратурных условий и, значит, предсказуемо лишь условно. Однако в силу частично малой природной распространенности многих изотопов число многоатомных ионов ограничено преимущественно комбинацией наиболее часто встречающихся изотопов, так что, например, при анализе сталей надо принимать в расчет около 250 перекрытий сигналов многоатомных ионов1 [11.52].

11.10.6. Новые области применения плазменной массспектрометрии Без всяких сомнений, плазменная массспектрометрия щедро обогатила всю сфе ру следовой аналитики и продолжает способствовать ее дальнейшему развитию и совершенствованию. Области применения этого метода весьма многообразны: гео химия, нефтехимия, биология, ядерная техника, полупроводниковые технологии и, отнюдь не в последнюю очередь, исследование объектов окружающей среды 1

Значения данных отношений зависят от операционных параметров прибора. – Прим. ред.

11.10. Плазменная массспектрометрия

371

[11.53]. В настоящее время при проведении анализов воды в качестве стандартных способов находит применение оптическая эмиссионная спектрометрия с ИСП на ряду с атомноабсорбционной спектроскопией, но плазменная массспектромет рия активно внедряется уже и в эту область [11.54]. Можно ожидать открытия неко торых зависимостей, которые ранее находились как бы по ту сторону собственно аналитической деятельности. Напомним для примера, что сейчас в питьевой воде можно обнаружить даже такие элементы, как Ce, U, La, Y, Li и Ве [11.55]. Благодаря особым свойствам массспектрометрии стало возможным опреде ление изотопного состава различных веществ. Основные сведения о стабильных изотопах фактически получены с помощью массспектрометра. Некоторые изо топы свинца образуются в результате радиоактивного распада разных исходных элементов (ряд распада тория и урана). Этот факт позволяет привлечь плазмен ную массспектрометрию для целей определения места происхождения исследу емых геологических проб. Обогащая биологические пробы стабильными изото пами, можно проследить метаболизм следовых элементов в такого рода системах, не прибегая к помощи радиоизотопов. Спектральные помехи, встречающиеся, в частности, в области массовых чи сел ниже 80 и не разрешамые посредством квадрупольного массспектрометра, могут быть значительно уменьшены благодаря использованию массспектромет ров с высокой разрешающей способностью, например массспектрометров по принципу времени пролета. При одновременном дополнительном повышении обнаружительной способности в отношении более легких элементов, помехи ко торых в основном и определяют ограничение квадрупольных массспектромет ров, можно ожидать в будущем использования плазменной массспектрометрии преимущественно с массспектрометрами высокого разрешения. Большие перспективы открывает метод, сочетающий хроматографическое раз деление и массспектрометрическое определение веществ. Улучшить способность к обнаружению за счет отделения матрицы можно и при плазменной массспект роскопии. Путем прямого сопряжения с хроматографами (газовая, высокоэффек тивная жидкостная, ионная хроматографии) достигается возможность определе ния концентраций в диапазоне триллионных долей. Это создает совершенно но вую ситуацию на уровне определения специфичных форм элементов. Вопрос спе цифичности элементов приобретает все большее значение, и этот параметр вполне может обойти по значимости общую концентрацию. Работа в режиме реального времени (например, с использованием проточной инжекции) в принципе допус тима также в оптической эмиссионной спектрометрии с ИСП и в плазменной массспектрометрии. Возможно автоматическое разбавление проб и добавление внутренних стандартов. В плазменной массспектроскопии интерес представля ет прежде всего многоэлементное определение гидридообразователей на уровне субмиллиардных долей, равно как обогащение и отделение матрицы. Поскольку при аэрозольной методике проба должна быть представлена в рас пыляемой форме, то есть в виде раствора, ее объем не может быть меньше опреде ленной минимальной величины. При инжекционной технике для этого требуется минимум 0,5 мл. Чтобы даже такие микроскопические объемы сделать доступны ми для плазменной спектрометрии, в случае массспектроскопии с ИСП использу

372

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

ют предлагаемые в атомноабсорбционной спектрометрии коммерческие вариан ты электронагревательных испарителей. Метод плазменной массспектрометрии с электротермическим испарением предназначен для одновременного многоэлемен тного определения микроколичеств веществ, причем пределы обнаружения здесь обычно ниже таковых при атомноабсорбционной спектроскопии с графитовой трубкой. В этих условиях могут исследоваться даже пробы в виде суспензий и по рошков, которые в распылителях легко вызывают многочисленные помехи. Для прямого определения твердых образцов служит испарение под действием лазерно го излучения, когда генерируемый лазером пар переводится в плазму. Наряду с ИСП находят применение и микроволновые плазмы как источник ионизации в плазменной массспектрометрии. Для этого прибегают к помощи горелки, полностью выполненной из металла и функционирующей с гелиевым разрядом при нескольких сотнях ватт [11.56]. Сейчас активно изучается также спо соб ионизации посредством тлеющего разряда (массспектрометрия с тлеющим разрядом) [11.57].

11.11. Резюме и перспективы развития плазменной атомной спектрометрии Определение следовых элементов на основе оптического эмиссионноспектраль ного анализа с ИСП уже много лет является стандартным методом, завоевавшим прочное место в химикоаналитических лабораторных исследованиях наряду с атомноабсорбционной спектроскопией. Этот метод широко применяется при изучении объектов окружающей среды, при входном контроле на производстве, при проверке качества готовой продукции в самых разных отраслях промышлен ности – металлургической, химической, а также при изготовлении стекла и кера мики. В нормах ДИН 51 008, ч. 2, приведены понятия, принятые в оптической эмиссионной спектрометрии [11.58]. Данный метод описан уже во многих нор мативах и регламентах. Следует упомянуть, в частности, предписания по унифи цированному исследованию питьевой воды, сточных вод, шламовых осадков и грязей (ДИН 38 406, ч. 22), регламенты касательно установок для сжигания отхо дов, нормы проверки смазочных материалов (ДИН 51 391, ч. 3), постановление о способах осветления и административные предписания по очистке сточных вод. Оптическая эмиссионная спектрометрия с ИСП является многоэлементным методом, отличающимся быстротой при обнаружении большого числа следовых элементов в большом количестве проб. Именно благодаря своей «мультиэлемен тности» этот метод стал во многих областях применения надежной альтернати вой атомноабсорбционной спектрометрии. При наличии используемых сегодня оптических систем, благодаря возможности отбора наилучших аналитических линий и достижения высокой чувствительности, пределы обнаружения – за всю 30летнюю историю существования оптической эмиссионной ИСПспектроско пии – значительно улучшились и находятся сегодня на уровне нг/л. При условии обдува оптики аргоном или азотом и, соответствнно, создания вакуума стали воз можны определения в вакуумной УФобласти ниже 190 нм, что позволило изме

11.11. Резюме и перспективы развития плазменной атомной спектрометрии

373

рять, например серу и фосфор, по линиям спектра излучения с минимальными помехами. Для спектрометров одновременного действия надо было повысить разреша ющую способность и предусмотреть устройство для регистрации изменений ин тенсивности вблизи аналитических линий. При программированном сдвиге щели или наличии вращающейся за входной щелью кварцевой отражающей пластины можно обработать спектральное окружение одновременно для всех аналитичес ких линий и сохранить измеренные интенсивности в памяти ПК. Все современные ИСПспектрометры компьютеризированы. Программы, разработанные для поиска максимума, и способы регистрации фона у последова тельных и одновременных спектральных приборов относятся к уровню техники. Пики спектров отображаются на экране дисплея, спектральные линии иденти фицируются, и определяются данные для коррекции линейных интерференций. Сегодняшние требования к современному ИСПспектрометру касаются преж де всего высокой автоматизации, позволяющей довольствоваться минимумом обслуживающего персонала при полной загрузке оборудования даже в ночные часы. Это достигается за счет использования «разумных» ЭВМ в сочетании с ме ханизмами подачи проб и автоматическими системами разбавления. Решения, которые ранее приходилось принимать пользователю, ложатся ныне на плечи электронной вычислительной техники, оснащенной целесообразными програм мами обеспечения качества. В этой связи можно назвать автоматическую река либровку, настройку всех параметров спектрального прибора, а также автомати ческое проведение анализов по контролю качества. Плазменная спектрометрия относится к эффективным методам одновремен ного определения сразу множества элементов на основе жидких проб либо суспен зий твердых веществ в жидкой фазе. Эмиссионная спектрометрия с ИСП в инстру ментальном плане уже достигла высокого уровня развития, хотя, например, в от ношении спектрометров – с учетом использования систем эшелле и, прежде всего, детекторов новых конструкций (см. прибор с инжекцией заряда) – можно ожидать (при более совершенной регистрации спектральной информации) дальнейшего впечатляющего прогресса. Здесь отмечается тренд создания рационально сконст руированных, компактных блоков, что может привести к заметному снижению инвестиционных и эксплуатационных затрат. Примечательно также, что опреде ленного признания добились комбинированные спектрометры одновременного плюс последовательного действия. Они позволяют – наряду с быстрым одновре менным определением многих, но заведомо фиксированных элементов – также гибкое определение элементов, способных меняться от случая к случаю. Эмиссионная спектроскопия с ИСП как метод взята сегодня на вооружение практически любой маломальски крупной аналитической лабораторией. В плаз менной эмиссионной спектрометрии существенная доля инноваций приходится на область подачи проб. Альтернативные варианты обычных распылительных си стем (ультразвуковых или др.), позволяющие работать с суспензиями, и искровая эрозия для прямой идентификации металлических образцов – вот лишь некото рые примеры, для реализации которых уже существуют соответствующие при надлежности. Иные плазмы (например, микроволновая) играют роль элементно

374

Глава 11. Атомная спектрометрия с плазмами

специфичного детектора при хроматографии и для выполнения этой функции предлагаются сегодня в коммерческих системах. Для анализа материалов, имеющих спектры излучения с большим числом ли ний, или для ситуаций, когда требуется повышенная чувствительность обнаруже ния (например, при исследовании питьевой воды), массспектрометрия с ИСП предлагает значительные преимущества по сравнению с плазменной эмиссион ной спектроскопией. Также и сочетание ИСПспектроскопии – прежде всего масс спектрометрии с ИСП – с высокоэффективной жидкостной хроматографией рас сматривается как весьма перспективная концепция для прямого определения эле ментов с разными формами связи. Способы испарения с помощью лазерного излучения очень эффективны при исследовании не обладающих электропроводимостью проб, например керамики. Однако их эффективность в полную меру проявляется лишь в сочетании с лазерным возбуждением либо с плазменной массспектрометрией, обладающей большей об наружительной способностью, чем оптическая эмиссионная спектрометрия с ИСП. С точки зрения одновременного определения интерес представляют сегодня так же фотодиодные спектрометры. После предварительного разложения и выделения аналитических линий с диодными матрицами небольшого размера (12,5 мм) и ма лым числом пикселей (от 500 до 1000) можно определять одновременно 5–10 эле ментов. Используя сменные маски для предварительного выделения, удается бы стро изменять программу анализа. Способность к обнаружению у фотодиодных спектрометров ограничивается в коротковолновом диапазоне длин волн детек торными шумами. У современных спектрометров последовательного действия дифракционная решетка приводится во вращение посредством программноуправляемого шаго вого двигателя высокого разрешения, причем длина волны сдвигается на выход ной щели и в течение короткого времени интегрируется. Если приходится опре делять большое число элементов и требуется высокая точность в следовом диапа зоне, эти приемы признаются слишком медленными – по сравнению с быстры ми, но очень ограниченными с точки зрения гибкости программы анализа одновременными способами У многих приборов управление, сбор и обработку данных можно осуществлять через персональный компьютер и вычислительную машину более высокого уров ня. При спектрометрах одновременного действия нередко используют совмести мый с данным прибором процессор для выполнения задач управления (при термо статировании, обдуве, диагностике и проч.). Большинство систем располагает про граммами с управлением через меню, а программное обеспечение содержит про граммы для регулировки хода анализа, определения точек измерения фона, коррекции фона, градуировки с внешними стандартами, а также для использова ния метода добавок и внутренних стандартов. Пакет программ для обработки дан ных может включать в себя статистику, составление протокола анализа и упаковку в архив, действуя в режиме установления связи с внешним компьютером. Основные требования, предъявляемые на практике к спектральному прибо ру, – это удобство обслуживания и подходящий набор программ в компьютере. Кроме того, это должна быть многоэлементная система, обеспечивающая быст

11.11. Резюме и перспективы развития плазменной атомной спектрометрии

375

рый темп получения информации одновременно по множеству элементов. Жела тельно также, чтобы это был сканирующий спектрометр последовательного дей ствия, позволяющий производить абсолютно свободный отбор линий для всех длин волн, не имеющих жесткой фиксации. Прибор должен обеспечивать высо кую светосилу по всей области спектра от 170 до 800 нм с целью достижения мак симальной чувствительности и наилучших пределов обнаружения. ИСПспектрометр должен обладать высочайшей разрешающей способностью, чтобы свести к минимуму возможные помехи, что позволило бы использовать для анализа самые чувствительные линии из всех возможных. Разрешающая способ ность спектрометра есть та характеристика, которая решающим образом определя ет точность результата измерения. Современная плазменная система должна, по мимо прочего, располагать целым рядом тщательно испытанных принадлежностей, например в целях возможной ее автоматизации на основе механизма смены проб. Поразительно высокую популярность на практике приобрели между тем ин струментальные комбинации на основе плазменной и массспектрометрии. В то время как первое поколение приборов было рассчитано преимущественно на руч ной режим работы, что по понятным причинам формировало достаточно суро вые требования к пользователю, новые плазменные массспектрометры отлича ются высоким уровнем автоматизации. Все важнейшие параметры плазмы и квад руполя оптимально настраиваются с помощью программного управления. В методике плазменной массспектрометрии органично сочетаются высокая степень ионизации ИСП с чувствительностью и селективностью идеального де тектора, массспектрометра, что дает в итоге единственный в своем роде метод элементного и изотопного анализа. Плазменная массспектрометрия по своей об наружительной способности далеко превосходит оптическую эмиссионную спек трометрию с ИСП. Это быстрый способ определения более чем 75 элементов с пределом обнаружения в ультраследовой области. Первоначально весьма дорогие спектральные приборы этой серии со временем стали вполне доступными по цене. Данная техника получает все большее распространение, выступая в качестве до полнения и к оптической эмиссионной спектрометрии, и к атомноабсорбцион ной спектрометрии по методу графитовой трубчатой печи. Описанный метод позволяет проводить также многоэлементные определения на твердых образцах. Пределы обнаружения для большинства элементов находятся на уровне субнг/гединиц и лишь немного отличаются от элемента к элементу. Матричные помехи здесь невелики, спектры не перенасыщены линиями, однако полиатомные ионы способны вызвать непонятные совпадения линий. Большая часть коммерческих вариантов плазменных массспектрометров имеет квадруполь ное исполнение. Работы по созданию обладающих высоким разрешением масс спектрометров по принципу времени пролета находятся пока лишь на начальном этапе1. Но уже ясно, что благодаря замечательному разрешению этих приборов уда ется в значительной мере снять ограничения в отношении более легких элементов, обусловленные спектральными помехами в области массовых чисел ниже 80. 1

Коммерческие приборы высокого разрешения выпускаются несколькими фирмами. – Прим. ред.

ÃËÀÂÀ 12 ÌÀÑÑ-ÑÏÅÊÒÐÎÌÅÒÐÈß Массспектральный анализ для определения характеристик веществ давно и успеш но применяется в аналитической химии. Еще в 1910 г. Томпсону удалось записать массспектр обоих изотопов неона. Ф. Астон из Кембриджа получил в 1922 г. Нобе левскую премию по химии за открытие с помощью массспектрографа ряда изо топов нерадиоактивных элементов. Но лишь с 1960 г. началось реальное практи ческое внедрение массспектрометрии, вскоре ставшей стандартным методом современной аналитики. На данный момент массспектрометрия получила ши рокое признание и считается одним из наиболее эффективных способов абсо лютного измерения молекулярной массы, который отличается высокой чувстви тельностью и большой информативностью спектров. Наряду с ядерной магнит норезонансной спектроскопией (ЯМР) и инфракрасной (ИК)спектроскопией, массспектрометрия стала важнейшим методом инструментальной аналитики, чрезвычайно удобным при структурном анализе соединений. В 90х годах масс спектрометрию активно использовали в целях идентификации веществ, как са мостоятельно, так и в сочетании с предварительным разделением соединений. В условиях массспектрального анализа органическое соединение в глубоком вакууме испаряется, ионизируется в результате электронной бомбардировки и, если энергия бомбардирующих электронов достаточно велика, чтобы вызвать разрыв хи мических связей, разбивается на осколки. Продуктами такой фрагментации явля ются преимущественно положительно заряженные ионы, но возможны также не заряженные радикалы и небольшие нейтральные молекулы. Разные ионы, генери руемые в ионном источнике, разделяются в магнитном поле в зависимости от от ношения m/e, где m – масса, е – заряд иона, и подаются на приемник. В итоге получают массспектр. По величине m/e определяют массу иона, а по интенсивно сти соответствующего сигнала судят о концентрации ионов. Использование массспектрометрии весьма многообразно. Она находит при менение не только в органической аналитике, но также и в неорганической хи мии, в биологии, физике и других науках. Так, на основе массспектрометрии высокого разрешения можно получить сведения об элементном составе и, соот ветственно, о структуре нового соединения. С другой стороны, с помощью масс спектра удается доказать идентичность двух соединений. Кроме того, массспек трометрия вполне годится для проведения качественного и количественного ана лизов смесей, а также следового и изотопного анализов [12.1]. Помимо прочего, она позволяет получить информацию касательно свойств ионов в газообразной фазе, механизмов протекания ионномолекулярных реакций, а также данные о строении и времени жизни ионов. С созданием высокоэффективных массспект рометров в сочетании с усовершенствованной техникой ионизации стало возмож ным проведение исследований веществ с молярной массой до 105 г моль–1, то есть в том числе полимеров и биополимеров.

12.1. Теоретические основы метода

377

Однако изза фрагментации в большинстве случаев удается интерпретировать только массспектры чистых веществ. Поэтому массспектрометрию нередко со четают с хроматографическими способами разделения, например на основе газо вой либо высокоэффективной жидкостной хроматографии. С другой стороны, классическая ионизация все чаще пополняется другими – более щадящими – способами ионизации, обеспечивающими значительное подавление возможного процесса фрагментации. При условии умеренной фрагментации достигается зна чительная коррекция массспектров, позволяющая выполнять качественный и количественный анализы сложных газовых смесей с концентрациями вплоть до следового диапазона. К подобным методам причисляют массспектрометрию на основе химической ионизации, а также с применением ионномолекулярных ре акций.

12.1. Теоретические основы метода Физический принцип массспектрального анализа основан на законе лоренце вой силы, согласно которому заряженные частицы отклоняются под действием внешнего магнитного поля. Таким образом, первым условием получения масс спектра является ионизация анализируемых молекул. Ионы совершают в магнит ном поле движение по круговым траекториям, радиусы которых пропорциональ ны корню квадратному от величинч масс ионов. В массспектрометрии принято различать две основные стадии: • процесс ионизации и • собственно процесс определения масс. Считающаяся классической ионизация электронным ударом до сих пор оста ется важнейшим способом получения ионов. Для разделения ионов, отличающихся друг от друга хотя бы на одну едини цу массы, достаточно их простого отклонения в сильном магнитном поле. При этом ионы с большей массой отклоняются меньше, чем ионы с меньшей массой (рис. 12.1).

От ионизационной камеры

Коллекторная пластина

Рис. 12.1. Принцип действия электромагнитного массспектрометра

378

Глава 12. Массспектрометрия

m/e = H2r2 /2V, где Н – напряженность магнитного поля, r – радиус круговой траектории движе ния, V – ускоряющее напряжение. В результате изменения напряженности магнитного поля Н при постоянном радиусе r траектории, по которой движутся ионы, и ускоряющем напряжении V можно направлять на детектор ионы с разной величиной m/e. С другой стороны, возможна регистрация соответствующего массспектра и при постоянном маг нитном поле Н при изменении напряжения ускорения V. В обоих случаях ионы с некоторой величиной m/e поочередно пропускают через зазор коллектора, и ре гистрируется их ток как функция изменяемого параметра, который и создает масс спектр.

12.2. Природа массспектра Массспектры регистрируются обычно в направлении от меньших масс к боль шим. Пик максимальной интенсивности в спектре обозначают как основной. Для достижения ясного и наглядного представления массспектра интенсивность ос новного пика произвольно устанавливается равной 100, а все прочие сигналы со относятся с ним. Как правило, основной пик только в случае особенно устойчи вых соединений идентичен пику молекулярного иона. Для пояснения на рис. 12.2 приведен массспектр сложного метилового эфира бензойной кислоты. Относительная молекулярная масса в химии часто именуется просто моляр ной массой, иногда встречается также термин «молекулярный вес». Относитель ная молярная масса химического соединения показывает, как велика масса дан ного соединения в сравнении с 1/12 массы самого распространенного атома изо топа углерода 12С.

Относительная интенсивность

Рис. 12.2. Массспектр метилбензоата

12.2. Природа массспектра

379

Поскольку химические элементы состоят из смеси изотопов, то наряду с мо лекулярным пиком и пиками фрагментируемых ионов постоянно обнаруживает ся один либо несколько изотопных пиков. Соотношения интенсивностей такой группы пиков соответствуют природной распространенности отдельных изото пов в данной комбинации атомов. Определение изотопного состава по массспек тру вполне пригодно для получения бруттоформулы соединения. Изза относи тельно большой доли тяжелых изотопов у таких элементов, как сера, хлор и бром, соединения, содержащие эти элементы, особенно хорошо поддаются идентифи кации. До сего времени существует несколько достаточно простых и удобных для об щего употребления правил интерпретации спектров. Варианты структур, предла гаемые подключенной к массспектрометру ЭВМ на основе анализа спектров, отнюдь не всегда однозначны. Первичные ионы могут иногда на своей траекто рии движения претерпеть значительные перегруппировки, выделяя имеющуюся у них избыточную энергию. Возникают структуры, слабо связанные с исходной молекулой. По этой причине получаемый массспектр способен стать источни ком опасной дезинформации. Каждый возникающий при фрагментации ион имеет определенное отноше ние массы к заряду m/e. Поскольку большинство ионов обладает зарядом 1, то величина m/e обычно приравнивается к относительной массе. С другой стороны, интенсивность сигнала отображает распространенность соответствующего иона. Ионыфрагменты, отличающиеся особой характеристичностью, принято назы вать ключевыми осколками. Фрагментация молекулярных ионов происходит пре имущественно таким образом, что • образуются фрагментные ионы, в которых положительный заряд стабили зирован посредством мезомерии либо индуктивных эффектов, или • фрагментные ионы возникают как результат отщепления обладающих боль шой теплотой образования нейтральных молекул, как то: H2О, H2S, NH3, CO, CO2, N2 и т.д.

12.2.1. Стабильность ионов фрагментов Молекулярные ионы есть положительные ионрадикалы. Молекулярный ион АВ+, состоящий из половинок А и В, между которыми существует химическая связь, может распадаться поэтому на ион и радикал: АВ•+ → А+ + В• или А• + В+. Разрыв связи осуществляется в основном таким образом, что образуется са мый стабильный радикал, например в случае алифатических углеводородов – преимущественно на Сатомах с наибольшим разветвлением. Незаряженный ра дикал, естественно, не регистрируется в массспектрометре. Общие закономерности, знание которых столь полезно при изучении химии основного состояния, могут оказать неоценимую помощь и в понимании масс спектрометрических процессов фрагментации. Ионрадикал стабилизируется с элиминированием радикала в карбениевый ион с четным числом электронов.

380

Глава 12. Массспектрометрия

Нередко случается и так, что фрагментация контролируется не наибольшей отно сительной стабильностью карбениевого иона, а элиминированием стабильной, незаряженной молекулы. Так, алифатические спирты обычно отщепляют скорее воду, чем ОНрадикал, алифатические ацетаты элиминируют скорее уксусную кислоту, чем ацетоксирадикал. Часто наблюдают отщепление HCN из хинолина либо СО из хинонов.

12.2.2. Перегруппировки Приведенные примеры демонстрируют некие общие направления, хотя не стоит забывать и о большом числе имеющихся здесь исключений. Если в процессе фраг ментации не только разрушается одна связь, но и образуется другая, новая, связь, то можно говорить о перегруппировках. При этом образование новой связи мо жет произойти в элиминированной нейтральной частице, как при потере воды из спиртов, или же в несущей заряд половинке фрагмента. Мигрирующим остатком оказывается в большинстве случаев водород, причем могут переноситься один или несколько атомов Н. Наряду с часто наблюдаемой миграцией водорода имеет место также переме щение органических групп, причем под таким «перемещением» понимаются в узком смысле слова как раз перегруппировки. Мигрирующими группами стано вятся те, которые показывают наименьшую склонность к фрагментации, напри мер остатки метила или фенила.

12.2.3. Метастабильные ионы Массспектры, наряду с узкими пиками при целых массовых числах, нередко со держат и широкие пики, появляющиеся также при нецелочисленных значениях. Они обусловлены метастабильными ионами и поэтому в лаборатории часто име нуются метастабильными пиками. Когда ион с массой m1 стабилен настолько, что спокойно выдерживает время пролета от своего образования до момента регист рации, то он и регистрируется как m1. Если же m1 не отличается стабильностью и еще до ускорения превращается в m2, то детектором регистрируется только m2. Особая ситуация создается, когда m1 фрагментирует в m2 в период между ускорени ем и регистрацией. Тогда такая частица не регистрируется ни как m1, ни как m2, а появляется метастабильный пик m*. Подобный распад отмечается звездочкой (*), а m2 называют дочерним ионом. Метастабильные пики чрезвычайно важны для интерпретации спектра, по скольку они обеспечивают надежное отнесение разности массовых чисел. В прак тической работе очень полезно знать, что расстояние между m1 и m2 в спектре иден тично интервалу между m2 и m*. Метастабильный пик является в большинстве случаев свидетельством одноступенчатого процесса распада, хотя в исключитель ных ситуациях возможно отщепление также двух и более нейтральных осколков. Следует упомянуть еще о двухзарядных ионах. Поскольку в этом случае опре деляется отношение m/2e, то, очевидно, могут появиться полуцелые массы. Двух зарядные положительные ионы возникают обычно у ароматических углеводоро

12.3. Образование ионов

381

дов. Однако их интенсивность – по причине низкой вероятности образования – значительно слабее, чем у однозарядных ионов.

12.3. Образование ионов Физический принцип массспектрометрии – разное отклонение заряженных ча стиц во внешнем магнитном поле – предполагает ионизацию молекул. Такая иони зация может осуществляться под действием потока электронов либо химическим путем. Помимо прочего, анализируемое вещество должно обладать определен ной летучестью, чтобы быть ионизованным. Для массспектрометрического ис следования труднолетучих соединений существуют специально разработанные приемы.

12.3.1. Ионизация электронным ударом Получение положительных ионов посредством электронного удара (ионизация электронным ударом) есть классический способ получения заряженных частиц в массспектрометрии. Энергия электронов в пучке, необходимая для выбивания электрона из молекулы, называется потенциалом ионизации и составляет около 10 эВ. Поэтому ионы не образуются, если энергия электронов оказывается много ниже 10 эВ. Несколько миллиграммов пара пробы в системе высокого вакуума спектрометра переводится в ионизационную камеру. Здесь анализируемое веще ство в газообразном состоянии бомбардируется исходящим от нити накала пуч ком ускоренных электронов, обладающих, как правило, энергией порядка 70 эВ. В результате электронной бомбардировки молекул газа происходит их ионизация посредством выбивания электрона с образованием положительного молекуляр ного иона. М + е– → М+ + 2е–. Электроны πсвязей и неподеленные пары электронов легче возбуждаются, чем σэлектроны. Так как почти все без исключения органические молекулы имеют четное число электронов, удаление неспаренного электрона дает ионрадикал с неспаренным электроном. Альтернатива данному процессу – захват электрона с образованием отрицательно заряженного ионрадикала – примерно в 102 раз ме нее вероятна. Массовое число М+ соответствует относительной молярной массе соединения. Но так как энергия электронов составляет обычно 70 эВ, то вследствие допол нительной энергии в молекулярном ионе происходит разрыв связей с одновре менным образованием положительно заряженных ионовосколков. Такого рода процессы фрагментации сравнимы с химическими реакциями разложения и сле дуют определенным правилам. При знании соответствующих закономерностей можно на основе появившихся характеристических осколков судить о наличии специальных функциональных групп или, соответственно, структурных единиц. Ионизация электронным ударом дает массспектр с огромным количеством фрагментов. При этом может так случиться, что в спектре не будет ни одного сиг

382

Глава 12. Массспектрометрия

нала молекулярного иона, поскольку молекула при ионизации сразу же развали вается на осколки. А это означает отсутствие весьма важной информации о соб ственно молекулярном ионе и, следовательно, о молярной массе соединения. В связи с этим были разработаны более щадящие способы ионизации.

12.3.2. Химическая ионизация Высокая степень фрагментациии при электронной бомбардировке при энергии электронов 70 эВ не поддается регулированию и особенно проявляется в случае нестабильных соединений. При анализе смесей веществ это приводит к значи тельным взаимным наложениям пиков от фрагментов отдельных молекул, что делает практически невозможным количественный анализ сложных многоком понентных смесей. Поэтому все большее значение приобретают достаточно ща дящие методы ионизации. Разработанная в 60х годах химическая ионизация ос нована на ионномолекулярных реакциях. В этом случае анализируемые молеку лы ионизируются посредством переноса протонов ионовреагентов. В качестве газообразного реагента используется чаще всего метан, который сначала ионизи руется традиционным электронным ударом. В отличие от электронноударных массспектров, при этом обычно наблюдаются интенсивные МН+ионы. Фраг ментация здесь в значительной степени подавляется благодаря мягкой иониза ции. Химическая ионизация стала одним из важнейших щадящих методов, полу чивших наибольшее признание в химикоаналитической практике. Доминирующим процессом при этом считается присоединение протона к молекуле газа реагента; в случае метана протекают следующие реакции: первичная реакция СН4 + Н+ → СН+5 вторичная реакция СН+5 + М → МН+ + СН4. Благодаря такой дериватизации в газообразной фазе получают интенсивный сигнал молекулярного иона. В массспектрометрии на основе химической иони зации газ реагента вводится в ионный источник при относительно высоких дав лениях около 1 мбар. В результате протонирования молекул вещества образуется карбениевый ион с молекулярным весом, увеличенным на единицу. Изза силь ных перекрестных реакций в газовых смесях при используемом давлении доста точно сложно получить количественную информацию. Данная методика с успе хом используется в газовой хроматографии в целях точной идентификации. При условии предварительного разделения веществ достигается требуемая однознач ность массспектров и, следовательно, высокая селективность, в том числе и в отношении комплексных смесей газов. Путем выбора реакционного газа удается определенным образом регулировать степень фрагментации. При использовании газообразных реагентов разной основ ности можно из смеси ионизировать только определенные соединения, что значи тельно упрощает анализ многокомпонентных смесей. Помимо прочего, с такой методикой возможна отрицательная химическая ионизация, которая при иониза ции электронным ударом практически не играет роли. При массспектрометрии с ионизацией на основе захвата электрона предпочтительно ионизируются молеку

12.3. Образование ионов

383

лы с высокой электроотрицательностью. Эта техника нередко обнаруживает более высокую чувствительность, чем ионизация электронным ударом [12.2].

12.3.3. Масс спектрометрия на основе ионно молекулярных реакций Этот способ может быть рекомендован, в частности, для проведения анализов слож ных газовых смесей [12.3]. При этом тоже используется уже описанная выше хими ческая ионизация. Основное же различие состоит в том, что реакции между иона ми реагента и молекулами пробы протекают при низких давлениях < 10–4 мбар. При меняют здесь в основном инертные газы ксенон или криптон, подвергаемые иони зации посредством электронного удара. Через систему линз ионы инертного газа попадают в реакционную камеру, куда по капиллярной трубке подается исследуе мый газ. При этом ионы инертного газа вступают в определенную реакцию с ана лизируемым газом в условиях одиночных столкновений: в самом благоприятном случае происходит простой перенос заряда путем перехода одного электрона. Хе+ + М → Хе + М+. Но, наряду с этим, могут произойти и реакции депротонирования, которые позволяют осуществить однозначную идентификацию. Положительно заряжен ные ионы инертного газа имеют при этом низком давлении в реакционной каме ре достаточную внутреннюю энергию для переноса заряда молекулами пробы и малую кинетическую энергии. Решающими факторами для отдельных реакций являются постоянные отношения давления и температуры, а также определенная кинетическая энергия реакционных ионов. Как ионы продукта, так и возбуждающие ионы экстрагируются из реакцион ной камеры и детектируются в массспектрометре. Благодаря умеренной фраг ментации в газовых смесях достигается значительное упрощение массспектра, который при классической ионизации отличается значительными перекрытия ми на отдельных пиках изза сильной фрагментации. В силу разных энергий рекомбинации у разных инертных газов становится возможной – путем выбора соответствующего инертного газа – селективная иони зация для массспектрометрии на основе ионномолекулярных реакций. Так, ионизация СО2 происходит только при использовании криптона, а с ксеноном – нет. Но зато ксенон применим для ионизации углеводородов. В качестве реакци онных ионов могут использоваться также различные смеси инертных газов. В принципе годится любой атом или молекула, обладающие известной характе ристикой и не перекрываемые анализируемой пробой. Способ массспектрометрии на основе ионномолекулярных реакций приме няют при проведении операций контроля технологических газов в режиме реаль ного времени в рамках анализа выбросов электростанций или автомобильных выхлопов, а также при исследовании смесей газов в химической промышленнос ти и изучении объектов окружающей среды. При анализе продуктов горения тре буется, помимо определения СО и СО2, а также NO и NO2 в присутствии кислоро да и воды, еще и количественное определение различных углеводородов, как то: бензола, толуола, ксилола и других ароматических и алифатических соединений.

384

Глава 12. Массспектрометрия

12.3.4. Времяпролетная масс спектрометрия с лазерной десорбцией ионизацией из матрицы Пожалуй, самой сложной проблемой при определении молярных масс больших мо лекул является получение их и перевод их изолированных ионов в газовую фазу. Хил ленкамп и Карр впервые решили эту задачу в 1987 г. на примере высокомолекулярно го соединения – белка и никотиновой кислоты в качестве матрицы [12.4]. В предло женном методе смесь из матрицы, белка и растворителя облучается УФлазером с длиной волны около 300 нм, а ионизированные молекулы измеряются затем время пролетным массспектрометром (TOF, time of flight spectrometer). Данный метод по лучил длинное название: Matrix Assisted Laser Desorption (and) Ionization Time of Flight spectrometry (MALDITOF) [12.5]. Как следует из приведенного названия, здесь используют матрицу и лазер, ко торые вместе обеспечивают ионизацию анализируемого вещества. На роль матри цы выбирают обычно небольшие органические молекулы, максимум поглощения у которых приходится на область используемой длины волны лазера. Матрица и анализируемый раствор перемешиваются, например, в соотношении 1000 : 1 и вы сушиваются. При бомбардировке коротким лазерным импульсом излучение по глощается матрицей. После передачи энергии молекулам пробы последние де сорбируются из твердой фазы и ионизируются. Впрочем, механизм этого процес са до конца пока не ясен. Коммерческие исполнения таких приборов предлагаются сегодня практичес ки всеми изготовителями массспектрометров. При минимальном расходе пробы данный метод показывает замечательную точность, отличается простотой и быс тротой определения молярной массы [12.6]. Он считается высокоэффективным способом идентификации белков путем измерения молярной массы отдельных специфичных фрагментов. Определять молярную массу удается с точностью до 0,005% [12.7]. Благодаря такой точности и высокому разрешению достигается идентификация модификаций даже небольших молекул [12.8].

12.3.5. Масс спектральный анализ труднолетучих соединений Как при электронноударной, так и при химической ионизации соединения пе ред ионизацией подвергаются испарению, то есть речь может идти исключитель но о веществах с определенной летучестью. Однако большинство полярных, тер мически лабильных и высокомолекулярных соединений не поддаются испарению, не сопровождающемуся разложением. Поэтому был разработан целый ряд спосо бов, при которых посредством подходящего первичного возбуждения осуществ ляется прямая десорбция кондиционных молекулярных ионов из твердой или жидкой фазы, причем нейтрального газообразного промежуточного состояния здесь не требуется. После внедрения техники холодной полевой десорбции в 1969 г. даже с тру дом испаряющиеся, сильно поляризованные соединения стали доступны для масс спектрометрического анализа. При такой методике проба размещается на специ альном устройстве для полевой десорбции – эмиттере. Речь идет о тонкой вольф рамовой нити диаметром 0,1 мм, на которой наращены тончайшие иголки в виде

12.3. Образование ионов

385

дендридов. Под действием высоких электрических полей порядка 107 до 109 Вм–1 ионы десорбируются и переходят в газовую фазу [12.9]. Позднее был предложен другой способ массспектрометрического анализа труд нолетучих соединений – FAB (Fast Atom Bombardement) [12.10]. В этом методе про ба растворяется в жидкой матрице, например в глицерине, и переносится на метал лическую пластинку. Затем вещество смеси бомбардируется быстрыми, высокоэнер гетическими атомами аргона или ксенона либо также ионами цезия с кинетичес кой энергией в несколько кэВ, в результате чего молекулы и ионы с поверхности переходят в газовую фазу. Данный метод быстро приобрел популярность, так как весьма удобен для работы с полярными, нелетучими соединениями в среднем диа пазоне молярной массы примерно до 10 000 атомных единиц массы. Бомбардировка быстрыми атомами считается очень «мягким» способом иони зации, при котором удается ионизовать молекулы, склонные к разложению при испарении. Недостатком же этой методики являются сильные фоновые шумы от матрицы. Изза них менее интенсивные пики аналита иногда невозможно выде лить из фона [12.11]. Плазменная десорбционная массспектрометрия тоже находит применение для анализа больших молекул. При этом проба, находящаяся на пленке из синте тического полимера с алюминиевым напылением, облучается высокоэнергети ческими осколками деления радиоактивного 252Cf. Фрагменты расщепления ка лифорния налетают на пробу со скоростью, близкой к скорости электронов в твер дых телах. В результате ионизированные молекулы пробы с высоким импульсом отрываются от поверхности [12.12]. От бомбардировки быстрыми атомами это способ отличается тем, что здесь воз буждение осуществляется посредством тяжелых и быстрых ионов. Благодаря ло кально очень короткому времени возбуждения молекулы претерпевают лишь не значительную фрагментацию. Поэтому плазменная десорбционная массспектро метрия особенно удобна для больших, неустойчивых соединений, представляя со бой целесообразное дополнение к другим массспектрометрическим методам. Анализ по массам выполняется с помощью времяпролетного массспектрометра. Лазеры используются в массспектрометрии уже свыше 30 лет. Материал про бы облучается импульсным лазером, при этом вещество испаряется и ионизиру ется в образовавшейся плазме [12.13]. Так как при лазерной десорбции возбужда ются только относительно небольшие молекулы, то матрицу, например никоти новой кислоты, используют для пробы, которой она разбавляется в сто, а то и в тысячу раз. При этом задачей матрицы является, вопервых, интенсивное погло щение самого лазерного излучения и, вовторых, уменьшение межмолекулярных взаимодействий между анализируемыми молекулами. Этим достигается опреде ление молярных масс высокомолекулярных, сложных, многокомпонентных со единений [12.14]. Еще один возможный вариант массспектрометрического ана лиза твердых веществ предлагается на основе тлеющего разряда [12.15].

12.3.6. Масс спектрометрия отрицательных ионов Как правило, молекулы посредством бомбардировки электронами достаточной энергии, обычно около 70 эВ, ионизируются, превращаясь в положительные моле

Глава 12. Массспектрометрия

386

кулярные ионы и так называемые ионыосколки. При такой энергии эффектив ные сечения ионизации обычно проходят через максимум. Образование отрица тельных ионов путем захвата электрона осуществляется уже при значительно мень шей энергии. Но, по правилам квантовой механики, нейтральная молекула мо жет захватывать только электроны определенной энергии, поскольку отрицатель ный ион обладает дискретной энергией. Для наблюдения массспектрометров отрицательных ионов требуется пучок электронов определенной энергии. Тогда получим анион в энергетическом состоянии с энергией, лишь слегка превышаю щей таковую соответствующей нейтральной молекулы. Захваченный электрон спустя короткое время вновь готов к эмиссии. Анио ны многих молекул при этом существуют столь недолго, что не способны пере жить время пролета в массспектрометре. И только если электрон захватывается на несвязывающую молекулярную орбиталь, возможна фрагментация с образо ванием стабильных осколков, прежде чем начнется эмиссия электрона. По этой причине для отрицательных ионов характерен совершенно иной тип образова ния и фрагментации. Путем изменения полярности напряжений в массспектро метре отрицательно заряженные ионы могут разделяться и детектироваться та ким же способом, как это имеет место в случае положительно заряженных ионов. Особенно подходят для этой цели галогенсодержащие соединения, обладающие высоким сечением захвата для медленных электронов [12.16].

12.4. Массспектрометры Массспектрометр состоит из четырех основных узлов. Это: • • • •

система ввода проб, ионный источник, массанализатор и детектор.

Самый старый метод массспектрометрии – метод парабол Томпсона, исполь зованный им для определения удельного заряда. В этом методе для разделения ионов используются параллельные электрическое и магнитное поля, действую щие на ионы одновременно. Образовавшиеся в разрядной камере и затем уско ренные положительные ионы отклоняются обоими полями и становятся види мыми на фотопластинке или люминесцентном экране. Ионы с одинаковым удель ным зарядом, но с разной скоростью попадают на пластинке в точки, лежащие на параболе, кривизна которой пропорционална отношению m/e, что позволяет оп ределять массу при известном заряде. С помощью такого прибора Томсону уда лось в 1910 г. обнаружить изотопы неона с массовым числом 20 и 22. В качестве детектора для ионов используются в большинстве случаев вторич ноэлектронные умножители (ВЭУ), а также фотоумножители. Известный недо статок ВЭУ, связанный с понижением чувствительности по мере увеличения мас сы, в современных приборах компенсируется послеускорением и применением согласующего динода. Газообразные или легколетучие вещества могут вводиться через систему вво да образца прямо в вакуумную камеру массспектрометра. В случае веществ мень

12.4. Массспектрометры

387

шей летучести ампулу с пробой подогревают на входе в спектрометр для создания требуемого давления пара. Для веществ, не обладающих достаточной термоста бильностью и имеющих слишком низкое давление пара даже при повышенных температурах, пробу рекомендуется вводить через вакуумный шлюз непосред ственно в ионизационную камеру. Вещество при этом нагревается благодаря бли зости к электронному пучку либо путем добавочного нагрева. Ведущее место сре ди систем ввода проб занимает газовый хроматограф. Из представленных на современном рынке коммерческих исполнений масс спектрометров можно выделить два принципиально различающихся типа прибо ров. Простые, легкие в обслуживании аналитические устройства (речь идет преж де всего о квадрупольных массспектрометрах). И устройства для научных целей и разного рода исследований – более дорогие высокоспециализированные элек тромагнитные массспектрометры, а также тандемные массспектрометрические приборы. При работе с большими массами эти приборы легко позволяют обнару жить отклонения их масс от целочисленности.

12.4.1. Квадрупольный масс спектрометр В квадрупольном массспектрометре разделение масс достигается иначе, чем в маг нитном приборе. Ионы образуются в результате электронного удара либо путем хи мической ионизации и разделяются в системе, состоящей из четырех немагнитных стержней, представляющих собой собственно массфильтр (рис. 12.3). Между эти ми четырьмя стержнями создается электрическое переменное поле высокой часто ты с наложенным постоянным полем. Когда ионы поступают в это поле, они всту пают с ним во взаимодействие и совершают колебательное движение, амплитуда которого возрастает по мере уменьшения массы, так что легкие ионы покидают область массфильтра и не попадают в зону детектора. Тяжелые же ионы, удержи ваемые полем высокой частоты, под действием постоянного выталкивающего поля, направленного перпендикулярно стержням, выталкиваются из области разделения. Только ионы с определенным отношением m/e движутся по устойчивым траекто риям и достигают детектора. Таким образом, в результате изменения электрическо Детектор

Квадрупольный массфильтр Ионный источник

Рис. 12.3. Принцип действия квадрупольного массспектрометра

388

Глава 12. Массспектрометрия Электронный пучок Квадрупольные Ионный пучок стержни Фокусирующие Входные линзы Детектор линзы

Рис. 12.4. Блоксхема квадрупольного массспектрометра

го поля обеспечивается разделение и детектирование ионов разных масс. Принци пиальная схема квадрупольного массспектрометра представлена на рис. 12.4. Квадрупольные массспектрометры позволяют, по сравнению с магнитными приборами, проводить более быстрые изменения массспектров. Возможна реги страция спектров за десятые доли секунды, а также быстрое переключение на оп ределенные массы. Кроме прочего, такие устройства много дешевле секторных магнитных и нередко используются в качестве массселективных детекторов в ко лоночной хроматографии. Магнитные приборы не столь популярны изза боль шой длительности сканирования магнитного поля. Им требуются напряжения ус корения в кВдиапазоне, в то время как квадрупольному массспектрометру впол не достаточно напряжения на уровне всего 20 В. Благодаря этому возможны более высокие давления в источнике ионов и, значит, допустимы способы химической ионизации. Если при используемых ранее разделительных колонках в газовой хромато графии приходилось мириться с установкой дорогостоящих сепараторов между газовым хроматографом и массспектрометром в целях частичного удаления газа носителя, то прямое сопряжение с быстрой капиллярной газовой хроматографи ей таких проблем не вызывает. Сочетание газовой хроматографии с массспект рометрией стало сегодня вполне обычным делом. Гораздо сложнее ситуация при сопряжении с жидкостной хроматографией. Здесь трудности связаны прежде всего с большим объемным расходом мобиль ной фазы. Поэтому соединение в режиме онлайн возможно лишь при условии удаления растворителя перед вводом пробы в массспектрометр или при работе с низкой скоростью течения. Для этой цели применяют три разных метода: • direct liquid inlet (DLI) – прямой ввод жидкости, • thermospray (TSP) – термораспыление и • moving belt (MB) – работа с движущейся лентой. При малых потоках отдают предпочтение способу DLI, когда с помощью струй ных сепараторов вещество, насколько это возможно, сначала освобождается от

12.4. Массспектрометры

389

Нагрев Струя пара

Насос

Капиллярные трубки

Квадруполь

Рис. 12.5. Термораспыление как способ сочетания с жидкостной хроматографией

разбавителя и ионизуется посредством классической ионизации электронным ударом. Более всего распространен способ TSP, при котором вещество вместе с элюа том попадает в ионный источник по нагретой капиллярной трубке. Перегретый элюат выходит из капилляра в виде струи пара и капель аэрозоля, которые затем в результате быстрого перехода в вакуумную камеру ускоряются почти до звуковой скорости (рис. 12.5). При этом капли теряют молекулы растворителя. Если ра створитель содержит соль, например ацетат аммония, то ионизация достигается даже при отключенном электронном пучке, причем вещество М ионизируется превращаясь в МН+ или MNH+4. Этот метод находит применение также в каче стве самостоятельного способа ионизации, то есть без сочетания с высокоэффек тивной жидкостной хроматографией. При способе MВ элюат из колонки непрерывно капает на бесконечно движу щуюся ленту. Из тонкой пленки жидкости в нагретой испарительной камере сна чала испаряется растворитель – до того, как лента, минуя шлюз, попадет в ваку умную камеру, где оставшиеся вещества ионизируются посредством электронно го удара либо методом химической ионизации. Недостатком квадрупольных массспектрометров является почти в 10 раз мень шая чувствительность обнаружения по сравнению с секторными магнитными массспектрометрами, что означает ограничение в следовой аналитике. Эти при боры достигают разрешения по массам до 4000. Получить данные высокого раз решения для определения элементарного состава с помощью квадрупольных масс спектрометров невозможно.

12.4.2. Магнитный масс спектрометр Применение массспектрометра с высокой разрешающей способностью позво ляет определять элементный состав веществ. Это достигается на основе точного измерения масс, поскольку атомный вес отдельных нуклидов в совсем незначи тельной, но все же различимой степени отличается от целочисленных значений (см. табл. 12.1).

390

Глава 12. Массспектрометрия

Òàáëèöà 12.1. Ïðèìåðû ðàçíûõ ìîëåêóë èëè ôðàãìåíòîâ ñ ìàññîâûì ÷èñëîì 28 Àòîìíûé âåñ

Ìîëåêóëÿðíûé âåñ

H

1,0079

CO

28,0004

C

12,0110

N2

28,0134

N

14,0067

H2CN

28,0335

O

5,9994

C2H 4

28,0556

Огромное преимущество массспектрометрии высокого разрешения состоит, таким образом, из дополнительной информации касательно элементарного со става иона, полученной на основе точного определения массы, что, в свою оче редь, позволяет сделать заключение о его строении. Магнитные секторные поля попрежнему относятся к важнейшим массанализаторам, способным различать в массспектрах тысячи осколков. Используемые в прежние времена приборы пре имущественно с однократной фокусировкой были повсеместно заменены устрой ствами с двойной фокусировкой: такой эффект достигается в результате сочета ния магнитных и электрических секторных полей. Ионизированные электронным ударом молекулы ускоряются сильным элек трическим полем с напряжением 8 кВ и на высокой скорости попадают в про странство анализатора массспектрометра. Как правило, ионы покидают иони зационную камеру с разными энергиями, что объясняется их различиями в кине тической энергии перед ускорением. Ионы равной энергии могут быть получены с помощью электростатического анализатора. При этом ионы проходят сначала через электростатическое поле, обеспечи вающее фокусировку прежде, чем произойдет их отклонение в магнитном поле. Тогда для заданной величины m/e ионы равной энергии будут фокусироваться с очень высокой точностью. С помощью устройств с секторным полем можно про следить распад метастабильных ионов, то есть их фрагментацию в свободном от поля пространстве анализатора, что успешно используют при определении стро ения неизвестных соединений. Поскольку термокатоду ионного источника необходима минимальная темпе ратура от 70 до 150°С, то при прямом вводе некоторых веществ весьма желательно понижение давления их пара. Это достигается путем охлаждения зонда либо по глощения вещества активированным углем обладающим спектральной чисто той. При прямом вводе уже возможна регистрация спектра при количестве веще ства от 1 до 20 мкг.

12.4.3. Времяпролетные масс спектрометры Массспектрометры такого типа, которые в англоязычной литературе называют Timeofflightspectrometer (TOF), приобретают все большее значение в химикоана литической практике. В принципе они способны перекрыть абсолютно неограни ченную область массовых чисел. Измеряя время пролета ионов, можно обнаружить все элементы периодической системы, более или менее крупные молекулы и ион ные комплексы при разрешении М/∆М = 2000. Кроме того, эти спектрометры де монстрируют оптимальное пропускание, и примерно 10% образовавшихся ионов

12.4. Массспектрометры

391

Лазер Ионная оптическая система Рефлектрон Проба

ВЭУ

Рис. 12.6. Принцип действия времяпролетного массспектрометра

достигают детектора с высоким массовым разрешением и равномерной характери стикой пропускания. Принцип действия такого массспектрометра основан на том, что все образо вавшиеся ионы приобретают в электрическом поле одинаковую энергию и затем проходят через не имеющий поля дрейфовый участок – с разной скоростью в со ответствии со своей массой (рис. 12.6). Это обусловливает разное зависящее от массы время пролета в пролетной трубе массспектрометра. Пролетев определенный отрезок траектории, ионы ударяют ся о детектор. Измеренное время пролета до детектора является не зависимым от структуры физическим параметром, служащим для определения массы. Калиб ровка осуществляется на основе установленных стандартов молекулярной массы. Разрешение по массам, как и точность определения масс, возрастают при вводе в дрейфовый участок рефлектрона. Под рефлектроном понимается ионное зерка ло, вызывающее фокусировку энергии и компенсирующее таким образом возмож ный разброс по энергиям ионов, связанный с процессом ионизации.

12.4.4. Сдвоенный (тандемный) масс спектрометр Идея тандемной массспектрометрии заключается в том, что селективность, кото рая наряду с чувствительностью необходима для определения следовых компонен тов в комплексных смесях, заметно улучшается за счет объединения в единый блок сразу двух массспектрометров. Тогда в большинстве случаев можно отказаться от предварительного разделения веществ с помощью газовой либо высокоэффектив ной жидкостной хроматографии. В сочетании со специальной системой ввода твер дых проб могут исследоваться и нерастворимые образцы, благодаря чему существен но расширяется область применения массспектрометрии [12.17]. В технике сдвоенной массспектрометрии последовательно соединяются два массспектрометра, в первом из которых осуществляется разделение смеси на молекулярные ионы, которые затем попадают во второй спектрометр, где диссо циируют в результате активизации столкновениями с нейтральным газом. Воз никшие при столкновении продукты распада разделяются и анализируются во втором спектрометре. Благодаря повышению селективности удается идентифи цировать и количественно оценивать вещества даже в случае проб, сильно отяго щенных матрицей [12.18].

392

Глава 12. Массспектрометрия

Ионный источник Первый масс спектрометр

Столкновительный газ

Столкнови тельная камера Второй масс спектрометр

АВ+ CD+ EF+

АВ+ EF+

Образовавшиеся ионы

Допустим: АВ+ и EF+ имеют одинаковую массу и проходят через первый массспектрометр

В столкновительной камере А+ В+ пропущенные первым E+ F+ массспектрометром ионы подвергаются дальнейшей фрагментации А+

Второй массспектрометр отбирает только одну массу

Детектор

Рис. 12.7. Принцип тандемной массспектрометрии

Смесь компонентов попадает в ионный источник первого массспектрометра и ионизируется там методом химической либо электронноударной ионизации. При соответствующей настройке первой массразделяющей квадрупольной сис темы из образовавшейся ионной смеси отфильтровываются элементноспецифич ные ионы и направляются через систему линз в столкновительную камеру. Здесь ионы, пропущенные первым массспектрометром, колебательно возбуждаются и диссоциируют в результате активизации столкновений с нейтральным газом – как правило, аргоном. Эти продукты инициированного столкновением распада разделяются и анализируются во втором спектрометре (рис. 12.7). Полученный CIDспектр (collision induced dissociation) является столь же ха рактеристическим для строения попавших в столкновительную камеру ионов, как и нормальный массспектр для нейтрального соединения. При подобной работе в тандеме возможны разные подходы к регистрации массспектров, в том числе с управлением из одного пункта сбора и обработки данных. В так называемой трой ной (triplestage) квадрупольной массспектрометрии используют три последова тельно соединенных квадрупольных прибора, в первом из которых из смеси ионов, поступающей из ионного источника, отфильтровывается одна масса, во втором инициируется столкновение, а в третьем регистрируется так называемый дочер ний спектр (daughter scan). Первый квадруполь сканирует исходный, «материнский», спектр (parent scan) в определенной области массовых чисел, причем ионы разных масс последова тельно попадают в столкновительную камеру и подвергаются там фрагментации. Третий квадруполь устанавливается на некую постоянную массу, специфичную для определенного класса веществ. Следовательно, упомянутый исходный спектр дает информацию о наличии искомого вещества в многокомпонентной смеси. Еще один возможный вариант настройки действует по принципу «neutral loss scan», когда два квадруполя, первый и последний, настроены на постоянную раз

12.5. Резюме и перспективы развития массспектрометрии

393

ность масс. При этом через всю систему проходят лишь те ионы, которые в про цессе столкновения теряют нейтральные частицы установленной разности масс.

12.5. Резюме и перспективы развития массспектрометрии Массспектрометрия служит как для изучения строения незнакомых соединений, так и для идентификации известных веществ в сложных многокомпонентных сме сях. Это может осуществляться после хроматографического разделения онлайн, для чего используются компактные и быстродействующие квадрупольные при боры. При все возрастающей эффективности этих небольших массселективных детекторов не только понижается их стоимость, но и уменьшаются габариты, так что хроматограф уже не выглядит на общем фоне массспектрометра неким чуже родным телом. С другой стороны, востребованными остаются магнитные массспектромет ры, а также устройства, действующие по принципу определения масс частиц по времени пролета. Благодаря высокому разрешению этих приборов удается точно определять элементарный состав соединений, что делает массспектрометрию признанным методом абсолютного измерения молекулярных масс. Приборостроители предлагают сегодня широкий выбор магнитных и квадру польных спектрометров самого разного назначения. Учитывая бурное развитие все новых способов ионизации, можно предполагать, что метод массспектро метрии еще долго не исчерпает себя. Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI), Electrospray Ionization (ESI) и Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI) – вот последние из наиболее эффективных приемов ионизации. В слу чае АРСI этап ионизации протекает при нормальном давлении, в результате ко ронного разряда в плазме генерируется газ, а образовавшиеся ионы попадают в высокий вакуум спектрометра. Этот метод представляет особый интерес с учетом возможности его сочетания с высокоэффективной жидкостной хроматографией, причем с помощью массспектрометрии может идентифицироваться колоночный элюат. Изза простоты и удобства обращения не исключено, что APCI в скором времени полностью вытеснит некогда популярный способ на основе терморас пыления (thermospray). При методе электрораспыления (electrospray) путем подачи высокого напря жения в кВдиапазоне получают аэрозоль, состоящий из высокозаряженных ка пель и способствующий образованию многозарядных частиц. Этим методом, широко используемым преимущественно для анализа белков, можно определять молекулярные массы до массового числа 100 000. Для анализа проб минимально го объема в фемтомольдиапазоне рекомендуется пользоваться методом MALDI в сочетании с времяпролетной массспектрометрией. Все большую популярность приобретают также сдвоенные спектральные при боры, поскольку они позволяют перенести процесс пробоподготовки непосред ственно в само устройство. Подобная тандемная техника дает существенное улуч шение селективности и, следовательно, позволяет понизить предел обнаружения

394

Глава 12. Массспектрометрия

следовых компонентов в сложных матрицах. Это означает, что при работе со сме сями веществ иногда можно отказаться от предварительного разделения с помо щью хроматографических способов (газовой либо высокоэффективной жидко стной хроматографии), что делает реализацию таких методов более дешевой при одновременном повышении пропускной способности системы. Особенно высокие требования предъявляются к изотопным массспектромет рам. Здесь приходится с достаточной воспроизводимостью определять чрезвы чайно малые различия в относительной распространенности изотопов. Такие при боры находят применение не только в области ядерных исследований. С помо щью анализа частоты нахождения, или концентрации, изотопов можно опреде лять, например, возраст горных пород – по соотношению содержания разных Pbизотопов, 207Pb и 206Pb, из радиоактивного ряда урана. В аналитике пищевых продуктов на основе соотношения различных Сизотопов, 13С и 12С, можно сде лать вывод о происхождении продукции, так как при фотосинтезе разных расте ний эти изотопы ведут себя поразному.

ÃËÀÂÀ 13 ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏÈß ßÄÅÐÍÎÃÎ ÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ ÐÅÇÎÍÀÍÑÀ Хотя явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), или Nuclear Magnetic Resonance (NMR), было открыто независимо друг от друга Ф. Блохом [13.1] из Стэнфордского университета и Э.М. Парселлом из Гарвардского университета только в 1946 г., уче ные очень быстро поняли необыкновенную ценность нового метода для аналити ческой химии, что подтвердилось уже в 1952 г., когда оба физика получили Нобе левскую премию за сделанное открытие. Результаты, которые в те времена связы вали с открытым явлением, еще за 10 лет до этого предсказанным К. Гортером, превзошли все ожидания [13.2]. С помощью ЯМРспектроскопии при определенных условиях можно регист рировать взаимодействие между атомными ядрами через электромагнитное излу чение от них, возникающее в сильном однородном магнитном поле. При этом наблюдаются переходы между разными энергетическими состояниями опреде ленных атомных ядер, которые у свободных молекул вырождены, и только во внешнем однородном магнитном поле происходит расщепление пропорционально напряженности поля. Так как приложенное к ядру атома магнитное поле может быть усилено либо ослаблено под влиянием индуцированных магнитных вторич ных полей электронов, то протоны последовательно вступают в резонансное вза имодействие с разным электронным окружением, если приложенное поле непре рывно изменять при постоянной радиочастоте. Спектроскопия ЯМР развивалась как один из самых эффективных и много сторонних методов определения строения химических соединений. Прежде все го, это проявилось в области органической химии, где удалось использовать ме тод для определения структуры молекул, чего не удавалось достичь ни одним из известных физических способов. На основе двух параметров: • химического сдвига и • спинспинового взаимодействия – можно с очень высокой точностью определять химическое окружение отдель ных атомов в молекуле. В органической химии нашла широкое применение именно спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР), так как угле род и кислород как важные структурные элементы органических соединений не оказывают мешающего влияния на магнитные свойства ядер водорода. Спект роскопия ЯМР стала сегодня эффективным инструментом структурного анали за в растворах. Для достижения высокого спектрального разрешения использу ются спектрометры с магнитными полями все большей напряженности. Элект ромагниты со сверхпроводящими катушками определяют сегодня уровень тех ники ЯМР.

396

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

С точки зрения чувствительности ЯМРспектроскопия несколько уступает другим спектроскопическим методам, что объясняется очень малой разницей энергий между параллельной (по полю) и антипараллельной (против поля) ори ентацией спинов ядер в магнитном поле, что приводит к чрезвычайно низкой раз ности заселенностей, определяющей чувствительность. Необходимая для повы шения чувствительности высокая концентрация вещества и порой недостаточ ная растворимость проб были на начальном этапе развития ЯМРспектроскопии факторами, ограничивающими применение данной методики для ряда исследо ваний. История спектроскопии магнитного резонанса отмечена впечатляющими ус пехами в области совершенствования измерительной техники, которые в силу значения этого физического метода для химических исследований становились источником получения новой информации. Так, химический сдвиг создал свое образный плацдарм для использования ЯМРспектроскопии в химической про мышленности. Этому способствовали также новые знания о спинспиновом вза имодействии и приобретенный опыт динамической магнитнорезонансной спек троскопии. Вообще, ЯМРспектроскопия получила самое бурное развитие по сравнению с прочими спектральными методами. Первый высокоэффективный коммерческий ЯМРспектрометр от фирмы Varian появился на рынке в 1960 г. В середине 60х годов с целью повышения чув ствительности были предложены устройства для усреднения спектров. На протя жении одного или нескольких дней спектры суммируются, давая постепенное улучшение отношения сигнал/шум пропорционально корню квадратному из числа измерений. Развитие метода Фурьепреобразования открыло новые, до сих пор невиданные возможности. При этой импульсной методике спектр получается как результат Фурьепреобразования сигнала от ядер. Первоначально используемые измерительные устройства с разверткой магнитного поля в ЯМРспектроскопии сейчас почти полностью заменены Фурьеприборами. Приборная техника благо даря этому стала развиваться курсом, параллельным ИКспектроскопии. Одной из последних инноваций стала разработка в начале 80х годов принци па двухмерного ЯМР для изучения строения химических соединений. На тот же период пришлось существенное усовершенствование технологии криомагнитов, благодаря чему магнитнорезонансные приборы сильного поля являются сегод ня стандартным оборудованием химикоаналитических лабораторий. С их помо щью успешно исследуются более крупные и более сложные молекулы на предмет их структуры, динамики и реакционной способности. Создание приборов на уров не 750 МГц позволило осуществлять изучение биологических макромолекул, при чем на ферментносубстратных комплексах прослеживать существующие специ фичные взаимодействия. В случае исследования биологических образцов данный метод имеет то преимущество, что он не является ни инвазивным, ни деструкци онным. В прежние времена регистрация спектра состояла, как правило, в стандартном эксперименте возбуждения спина и записи сигнала. Сегодня в распоряжении имеется целая серия отдельных экспериментов разного назначения. Спектромет ры нового поколения отличаются эффективными импульсными программами, в

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

397

частности компьютеризованными многоимпульсными методиками. Информатив ность здесь значительно выше, причем затраты времени на измерение едва ли превышают таковые при традиционных ЯМРэкспериментах. Благодаря большой вариантности многоимпульсной техники с комплексными последовательностя ми импульсов спектроскопия на магнитных ядрах занимает особое положение среди прочих спектроскопических методов. С помощью метода вращения образца под магическим углом по отношению к магнитному полю (Magicanglespinning) можно исследовать даже твердые тела. ЯМР позволяет проводить изучение биохимических процессов in vivo, равно как физиологических и медицинских процессов разного рода. Посредством ядерно спиновой томографии был получен совершенно новый способ формирования изображений для медицинской диагностики. В отличие от рентгенографии, здесь отсутствует ионизирующее излучение. Используемые радиочастоты обладают в 105 раз меньшей энергией, чем химические соединения исследуемых молекул, то есть требуемое для этой цели количество энергии приводит к меньшему нагреву ткани. Так как почти все элементы периодической системы имеют стабильный изо топ с магнитным (дипольным) моментом, здесь открываются широкие возмож ности, даже если природное содержание этих нуклидов зачастую не так велико. В настоящее время все чаще исследуются также ядра с очень малой естественной распространенностью, среди которых 33S, 17O, 15N и 2Н. С ростом объема коммер ческих предложений ЯМРспектрометров с двумя или более гетероядерными ка налами возрастает роль изучения таких ядер. Количественная дейтериевая спект роскопия на магнитных ядрах успешно применяется в пищевой промышленнос ти и при решении разного рода биологических проблем; 31РЯМРспектроско пию все чаще используют при диагностических исследованиях, например для количественного определения фосфорсодержащих метаболитов в крови челове ка [13.3]. ЯМРспектроскопия служит для изучения механизмов реакций и кинетичес ких измерений. Форма линии ЯМРсигналов у многих молекул зависит от дина мических процессов, в которых они принимают участие, что позволяет изучать кинетику быстрых, обратимых реакций, не поддающихся исследованию класси ческими кинетическими методами. Однако подобный взлет ЯМРспектроскопии имеет свою цену: приборы сред него класса стоят порядка 300 000 нем. марок, а цена приборов высокого разре шения достигает, в зависимости от оснащения, нескольких миллионов немецких марок. По сравнению с другими спектроскопическими методами ЯМРспектро скопия представляется довольно дорогим удовольствием, а интерпретация спек тров – гораздо более сложной. Не в последнюю очередь по этим причинам спек троскопия ЯМР не заняла пока достойного места среди стандартных методик хи микоаналитической лаборатории. В большинстве случаев эта техника служит лишь целям решения одной аналитической проблемы, а именно идентификации молекулы на основе расшифровки спектра, после чего обычно переходят к более дешевым способам [13.4].

398

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

13.1. Теоретические основы ЯМРспектроскопии Еще при рассмотрении эффекта Зеемана пояснялось, что энергия электронов, представленная через внутреннее квантовое число J, может принимать во внеш нем магнитном поле разные значения. То же касается и ядер атомов, состоящих из протонов и нейтронов, которые, подобно электронам, имеют орбитальный момент количества движения и спиновой момент количества движения, или про сто спин. Как и момент вращения электронов, момент количества движения ядра I связан с магнитным моментом µ:

µ = γI, где γ – гиромагнитное отношение, I – полный момент количества движения ядра. Гиромагнитное отношение γ есть константа вещества и, следовательно, маг нитный момент µ ядра атома изотопноспецифичен. Результирующий спин ядер складывается из спинов протонов и нейтронов, он может принимать целочис ленные либо полуцелые значения от 0 до 7. Все ядра с четным числом протонов и четным числом нейтронов, так называемые четночетные ядра, имеют спин I = 0 и поэтому не годятся для ядерного магнитного резонанса. К этой группе относит ся около 60% всех стабильных ядер атомов. Лишь те ядра, у которых либо прото ны, либо нейтроны, либо оба этих структурных элемента ядра являются нечетны ми, обладают магнитными моментами. Ядра атомов с нечетным количеством про тонов и нейтронов, так называемые нечетнонечетные ядра, имеют, как и четно четные ядра, четное массовое число и целочисленные спины. Полуцелые же спины ядер имеют место у четнонечетных и нечетночетных ядер, обладающих нечет ным массовым числом. Все эти ядра способны к ядерному магнитному резонанс ному поглощению (см. табл. 13.1). У свободных молекул эти энергетические состояния вырождены, но в одно родном внешнем магнитном поле происходит расщепление пропорционально напряженности магнитного поля. При этом полный момент количества движе Òàáëèöà 13.1. Ñâîéñòâà ÿäåð èçáðàííûõ èçîòîïîâ íåêîòîðûõ ýëåìåíòîâ ßäðî

Ïðèðîäíàÿ ×èñëî ðàñïðîñò- ïðîòîíîâ ðàíåííîñòü,%

×èñëî íåéòðîíîâ

Ñïèí I

Ãèðîìàãíèòíîå îòíîøåíèå, 108 ñ–1 Ò–1

Ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà ïðè 9,39 Ò

Îòíîñèòåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü

1

H

99,985

1

0

1/2

5,585

400,000

1

2

H

0,015

2

1

1

0,857

6,402

1,45 10–6 0,165

11

B

80,000

5

6

3/2

1,7923

128,330

12

C

98,890

6

7

0

0,000

–

–

13

C

1,110

6

7

1/2

1,404

100,577

1,76 10–4

14

N

99,630

7

7

1/2

0,404

28,894

1,01 10–5

17

O

0,037

8

9

5/2

0,757

54,227

1,08 10–5

19

F

100,00

9

10

1/2

5,255

376,116

0,833

31

P

100,00

5

16

1/2

2,261

161,841

6,66 10–2

33

S

0,760

16

17

3/2

0,429

30,678

1,72 10–5

13.1. Теоретические основы ЯМРспектроскопии

399

ния совершенно определенным образом ориентируется относительно направле ния поля. Ядро с ядерноспиновым квантовым числом I может принимать в це лом 2I + 1 разных ориентаций относительно направления статического магнит ного поля индукции В0. Магнитные моменты ядер с I = 1/2 могут в соответствии с этим принимать две ориентации в магнитном поле (они ведут себя как неболь шие стержневые магниты) – низкоэнергетическую ориентацию, когда направле ние поля совпадает с таковым у стержневых магнитов, и высокоэнергетическую ориентацию, когда оба эти направления поля антипараллельны. Чтобы поместить ядро на более высокий энергетический уровень, надо пере дать ему необходимое количество энергии ∆Е, что достигается путем поглощения подходящего кванта энергии hν электромагнитного излучения. ∆E = h ⋅ν = γ ⋅

h ⋅ B0 . 2π

Это уравнение показывает, что ∆Е и, следовательно, резонансная частота ν про порциональны индукции В0 выбранного стационарного магнитного поля (рис. 13.1). Поэтому резонансная частота в ЯМРспектроскопии не является характеристичес кой величиной, как, например, частота поглощения в оптической спектроскопии. В коммерческих ЯМРспектрометрах энергия посылается УКВпередатчиком, и при магнитном поле, например 1,4 Тесла, подходящая частота для ядер атомов водоро да составляет около 60 МГц. Если выполнено условие ∆Е = hν, то поглощается оп ределенный квант энергии, и в соответствующем приемном устройстве измеряют ся потери энергии, которые могут регистрироваться самописцем в виде сигнала. Феномен ядерного магнитного резонанса поддается наблюдению, поскольку оп ределенные ядра атомов ведут себя как крошечные стержневые магниты (рис. 13.2). Каждый элемент, или, точнее, любой из разных изотопов элемента с одним спи ном ядра, имеет при установленном магнитном поле определенную резонансную частоту. Важнейшими среди этих ядер являются 1Н, 13C, 19F и 31Р, и все они обладают Энергия

Рис. 13.1. Расщепление энергетических уровней ядерных спинов в магнитном поле

400

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Антипараллельно (против поля)

Параллельно (по полю)

Рис. 13.2. Ориентация ядра атома (стержневого магнита) во внешнем магнитном поле

спином 1/2. Некоторые другие ядра имеют спин 0 и поэтому не подают сигнала ядерного резонанса: к таковым относятся 12С и 16О. Но магнитные моменты ядер примерно в 103 раз меньше спиновых и орбитальных моментов электронов, так что вызванная моментами ядра макроскопическая намагниченность, как прави ло, классическими методами не обнаруживается. В магнитном поле при этом частично прекращается термическое разупорядо чение магнитных диполей ядра, имеющее место за пределами магнитного поля. Сумма векторов всех ядерных диполей будет составлять тогда уже не ноль, а некую конечную величину, обозначаемую как макроскопическая намагниченность. В тер модинамическом равновесии эта намагниченность находится в состоянии низшей энергии параллельно внешнему магнитному полю и ведет себя в магнитном поле подобно гироскопу с моментом количества движения в гравитационном поле Зем ли. После отклонения оси гироскопа от направления поля притяжения она начи нает прецессировать вокруг направления этого поля с гироскопической частотой. Итак, в однородном магнитном поле оси моментов атомного ядра выполняют прецессионное движение вокруг направления поля (рис. 13.3). В термическом рав новесии, согласно распределению Больцмана, больше элементарных магнитов прецессирует «параллельно», то есть с углом ориентации δ < 90°, чем «антипарал лельно», то есть с углом ориентации δ > 90. Частоту прецессии называют лармо ровой частотой, и она совпадает с соответствующей частотой поглощения. Таким образом, процесс поглощения при ЯМРспектроскопии именуют магнит ным резонансом, поскольку вращение стержневых магнитов осуществляется при ча стоте, равной ларморовой частоте. Разности энергий между состояниями с поразному ориентированными мо ментами ядра являются функциями величины магнитного момента соответству ющего ядра атома, а также напряженности приложенного внешнего магнитного поля и находятся в диапазоне энергий длинных радиоволн. Если энергия излу ченной радиоволны соответствует именно этой разности энергий, то наступает магнитный резонанс между колеблющимся полем радиоизлучения и вращающим ся ядром, причем магнитный момент при поглощении соответствующей радио частоты переходит в энергетически более высокое состояние.

13.2. Химический сдвиг

401

Рис. 13.3. Прецессионное движение ядерных моментов

Обратный процесс отдачи магнитной энергии в форме тепловой энергии име нуют релаксацией. При этом спонтанного испускания радиоизлучения не наблю дается, то есть при возврате в энергетически более слабое состояние излучения соответствующей радиочастоты не происходит. Более того, магнитная энергия ядер отдается окружающей среде и в конечном счете преобразуется в тепловую энер гию. Процесс релаксации протекает за несколько секунд. Понятие релаксации пришло из английского языка и означает «успокоение или расслабление». Под этим термином понимаются все процессы, благодаря которым из возмущенного состояния осуществляется возврат в прежнее, нормальное, состояние. В органических молекулах протоны имеют – в зависимости от их положения в молекуле – разные резонансные частоты. Это явление известно под названием «химический сдвиг». Независимо от этого, при высоком разрешении прибора в большинстве случаев имеет место тонкая структура резонансных сигналов, а имен но во всех тех ситуациях, когда в окружении ядра находятся другие ядра с конеч ным моментом количества движения. Итак, ядерный резонансный спектр дает отображение химического, то есть электронного, окружения ядра, и путем изме рения резонансной частоты можно определять его положение в молекуле. Спект роскопия по методу ЯМР несколько усложняется, когда в одной и той же молеку ле находится множество протонов, имеющих разные резонансные частоты. Рас шифровка ЯМРспектров позволяет анализировать молекулярное строение не известных веществ.

13.2. Химический сдвиг Химический сдвиг вызывается в первую очередь электронами соответствующей связи. Внешнее магнитное поле В0 индуцирует в электронном облаке определен ные циркуляции и, следовательно, магнитный момент µ, который, согласно пра вилу Ленца, имеет направление, противоположное внешнему полю.

402

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Влокальн. = В0 (1 – σ), где σ есть так называемая константа экранирования, σВ0 – вторичное поле, инду цированное ядром атома. Это означает, что для достижения условия резонанса требуется внешнее магнитное поле большей напряженности. Химический сдвиг действует в направлении наружу так, как будто на внешнее поле накладывается внутреннее поле, вызванное окружением протона. Преимущественно электроны связи из окружения ядра в ослабляют внешнее поле. Чем больше концентрация электронов вблизи протона, тем сильнее экранирование и, значит, тем больше напряженность полей, при которой наблюдается явление резонанса. Абсолютное определение химического сдвига представляется достаточно слож ным, поэтому прибегают к относительным измерениям с помощью стандартного вещества. За международный стандарт принято положение резонансного сигнала тетраметилсилана (CH3)4Si (ТМС). Вводимый в раствор исследуемого вещества эта лон должен обладать низкой реакционной способностью, хорошей растворимос тью и давать один четкий сигнал в спектре. Соединение ТМС при наличии 12 хи мически эквивалентных протонов имеет в ЯМРспектре только одну четкую ли нию, положение которой произвольно определяется как нулевая точка шкалы. Тетраметилсилан в качестве стандартного вещества, или эталона, выбирается также с учетом того, что он не вызывает межмолекулярных взаимодействий. Здесь сле дует упомянуть еще и то обстоятельство, что протоны большинства органических соединений вступают в резонансное взаимодействие при наличии поля меньшей напряженности, чем протоны тетраметилсилана. Для получения сравнительной характеристики ЯМРспектров в спектромет рах с 60 или 100 МГц требуется шкала, не зависимая от частоты, а значит, и от магнитного поля. С учетом этих факторов для химического сдвига (chemical shift) принимается параметр δ:

δ = резонансная частота вещества, Гц/рабочая частота прибора, МГц. Химический сдвиг указывается в единицах ppm, или в миллионных долях (м. д.). Ядра с одинаковым магнитным экранированием и, следовательно, с одинаковым по ложением сигнала считаются химически эквивалентными. Ранее для измерения хи мических сдвигов применялась шкала τ, где τ = 10 – δ, то есть положение резонан сного сигнала от протонов тетраметилсилана принято за 10. В этой шкале увеличе ние значений химических сдвигов происходит одновременно с усилением поля. Так как химические сдвиги зависят от постоянных экранирования, а те, в свою очередь, зависят от распределения электронов и их геометрии в молекуле, то по положению сигналов можно судить о структуре исследуемых молекул. Сделать это достаточно просто, воспользовавшись хотя бы составленными на основе опыт ных данных таблицами сдвигов. В пределах указанного относительно широкого диапазона положение сигналов приведенных групп варьируется в зависимости от вида и строения остаточной части молекулы. Возникающие при этом закономер ности проявляются при рассмотрении влияний экранирования. Положение сигналов протонного резонанса в 1НЯМРспектре определяется различными факторами. Вопервых, образующие СНсвязи σэлектроны обладают

13.2. Химический сдвиг

403

Òàáëèöà 13.2. Ïðèìåðû õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ õèìè÷åñêèõ ñäâèãîâ îðãàíè÷åñêèõ ãðóïï

в одном кольце

в циклических кетонах

сопряженный несопряженный

Химический сдвиг в миллионных долях (м. д.)

магнитным моментом, направленным против прилагаемого магнитного поля В0, что приводит к ослаблению внешнего магнитного поля непосредственно в месте на хождения протона, – это и есть экранирование. Вовторых, индуцированное вто ричное магнитное поле πэлектронов алкенов, алкинов и ароматических углеводо родов может в результате своего «расплывания» в пространстве ослаблять либо уси ливать внешнее магнитное поле в месте нахождения протона (анизотропный эф фект). Способ влияния таких вторичных полей на протон, то есть экранирование и деэкранирование, зависит от его пространственного положения. В табл. 13.2 даны примеры химических сдвигов ряда органических групп. Индуктивные эффекты, межмолекулярные взаимодействия посредством сил ВандерВаальса, водородные мостики или иные влияющие факторы изменяют концентрацию электронов, а вместе с нею и напряженность индуцированных вто ричных полей в определенных точках молекулы, что можно распознать по сдви гам резонансных сигналов в ЯМРспектре. Следует различать парамагнитные сдвиги резонансных сигналов – в сторону поля меньшей напряженности, значит, меньших значений δ и, соответственно, больших значений σ, и диамагнитные сдвиги – в сторону поля большей напряженности, значит, больших значений τ и,

404

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

соответственно, меньших значений σ. Парамагнитные сдвиги возникают по при чине ослабления экранирования протонов вторичными полями электронов, а ди амагнитные сдвиги, напротив, объясняются усиленным экранированием. Экранирование рассматриваемого ядра складывается из следующих трех ком понентов. • Диамагнитная часть создается токами электронов вокруг самого ядра. Эта часть увеличивается по мере роста концентрации электронов у ядра и при водит к сдвигу сигнала к меньшим значениям δ. • Парамагнитная часть активизируется при снижении подвижности элект ронов вокруг ядра и приводит к более высоким значениям δ. При возраста нии электронной отрицательности соседних групп в результате оттягива ния электронов от рассматриваемого ядра понижается его диамагнитное экранирование. Но одновременно увеличивается парамагнитное экрани рование на ядре. Под действием этих двух факторов его сигнал сдвигается в спектре в сторону более высоких значений δ. • Третья составляющая экранирования носит анизотропный характер и при водит – в зависимости от относительного расположения молекул между эк ранирующей группой и рассматриваемым ядром – к сдвигу его резонанс ного сигнала в сторону больших или меньших значений δ. Эта часть экра нирования воздействует на рассматриваемое ядро через потоки электронов в более крупных группах, чаще всего с πэлектронами из окружения моле кулы.

13.3. Спинспиновое взаимодействие При достаточно высокой разрешающей способности спектрометра сигналы ЯМР часто распадаются на несколько раздельных сигналов. Причиной этого является наличие 2I + 1 разных ориентаций, которые могут принимать магнитные момен ты ядра относительно направления внешнего магнитного поля. В результате это го на соседнем ядре возникают 2I + 1 направленных дополнительных полей, на кладывающихся на внешнее магнитное поле. Магнитное взаимодействие между ядрами осуществляется при этом не через свободное пространство, а косвенно – через электроны химической связи. Речь идет, следовательно, об обусловленном электронной связью спинспиновом взаимодействии, которое иногда именуют просто спинспиновой связью и которое приводит к разделению сигналов. Поскольку наиболее распространенные в природе изотопы органических мо лекул, 12С и 16О, имеют суммарный момент количества движения I = 0, то при протонном резонансе регистрируют только спинспиновую связь соседних про тонов. Химически эквивалентные протоны не обнаруживают различия в маг нитном взаимодействии. По причинам симметрии или изза быстрой переори ентации они показывают одинаковую константу связи с любым другим ядром молекулы. Если опятьтаки представить ядра в виде маленьких стержневых магнитов, становится понятно, что при достаточном сближении они будут взаимно влиять

13.3. Спинспиновое взаимодействие

405

Рис. 13.4. Схема спинспинового взаимодействия двух соседних ядер

друг на друга (см. рис. 13.4). В магнитном поле появляется несколько возможных ориентаций относительно направления приложенного поля. Для системы с двой ным спином получают в целом четыре ориентации вектора спинов ядер. Но энер гетическое содержание положений «b» и «c» у ядер с разной резонансной часто той не одинаково. Принято составлять специальную схему с указанием всех энер гетических уровней, соответствующих возможным ориентациям спинов ядер. В результате поглощения энергии могут иметь место разные переходы, причем пе реход от «a» к «d» запрещен по закону сохранения момента количества движения. Четыре других перехода дают затем соответствующие сигналы в ЯМРспектре. Величина разрыва связи измеряется как расстояние между двумя соседними линиями расщепления и указывается в единицах частоты (Гц). Константы связи, в отличие от химического сдвига, не зависят от внешнего магнитного поля. Одна ко они зависимы от типа связывающих ядер, а также от вида и числа имеющихся между ними связей. Подобные взаимодействия приводят – в зависимости от числа возможных связей – к более тонкому разделению резонансных сигналов в дублеты, трипле ты, синглеты и т.д. При этом могут быть сформулированы следующие правила для спиновой мультиплетности протонного сигнала. • Когда протон имеет по соседству несколько типов химически эквивалент ных протонов na, nb, nc, …, то мультиплетность его резонанса будет (na + 1) (nb + 1) (nc + 1) … • Для соседней группы n эквивалентных протонов относительные интенсив ности (n + 1)мультиплетных компонентов даны через коэффициенты от дельных термов (x + 1)n. Эти два весьма важных обобщения составляют основу интерпретации спин спинового взаимодействия в ЯМРспектрах. Размер и способ расщепления есть характеристические параметры для определенной группы молекул и в рамках рас ширенной информации о строении могут дать сведения о количестве связываю щих соседних ядер. Попробуем объяснить это более подробно на примере этанола, СН3СН2ОН (рис. 13.5). Три протона СН3группы либо два протона СН2группы в этаноле эк

406

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса Резонансный сигнал

Химический сдвиг, м. д.

Рис. 13.5. ЯМРспектр этанола

вивалентны не только на химическом, но и на магнитном уровне. Но протоны метиловой группы находятся не только во внешнем поле, уже возмущенном элек тронным окружением, но также в поле, находящемся под дополнительным влия нием метиленовой группы. Спины протонов метила находятся во взаимодействии с протонами метиленовой группы. Протоны метиловой группы дают при этом триплет с 1,22 м. д., поскольку оба соседних протона метиленовой группы хими чески эквивалентны. Это приводит к мультиплетности (2 + 1), то есть к трем ли ниям, интенсивности которых дается коэффициентами (х + 1)2 = 1х2 + 2х + 1, или 1 : 2 : 1. Протоны метилена, напротив, находятся в зоне влияния протонов метила. При этом протоны метилена, смежные с электроотрицательным атомом кислорода, при наличии поля меньшей напряженности с 3,70 м. д. в форме квадруплета всту пают в резонансное взаимодействие с распределением интенсивностей 1 : 3 : 3 : 1. Эти интенсивности формируются из коэффициентов (х + 1)3. При этом не на блюдается связи между протонами метилена и протоном гидроксильной группы. Такой вывод подтверждается появлением резонанса этой группы в форме сингле та при 2,58 м. д.. Фактически получается, что химический сдвиг ОНрезонанса не только сильно зависит от водородных мостиков и химического обмена, но и спин спиновая связь протонов системы СНОН возможна исключительно в отсутствие быстрого межмолекулярного обмена гидроксипротонов. Если же взять ацетальдегид, СН3СНО, то здесь обнаруживается иное расщеп ление (рис. 13.6). Спины протонов метила имеют связь со спином протона карбо нила. Поскольку спин этого протона ориентирован по внешнему полю (парал лельно) либо против внешнего поля (антипараллельно), то протоны метила до полнительно находятся в несколько более сильном или, соответственно, в несколь ко более слабом эффективном магнитном поле. Отсюда вытекает двойное расщепление энергетических уровней протонов и расщепление линии протона метила в двойную линию в спектре. Протон карбонильной группы находится в зоне влияния протонов метила. Не считая химического сдвига, при котором резонанс смещается в направлении поля меньшей напряженности, ядра метила вызывают расщепление карбонильной ли

13.4. Регистрация ЯМРспектров

407

Резонансный сигнал

ТМС

Химический сдвиг, м. д.

Рис. 13.6. ЯМРспектр ацетальдегида

нии в четыре линии, ведь суммарный момент количества движения трех протонов метила может ориентироваться относительно направления поля четырьмя разны ми способами. Протон карбонила претерпевает в результате этого влияние четырех дополнительных полей помех. Ослабление экранирования у протона альдегида очень велико, поскольку он напрямую связан с тригональным атомом sp2углерода. Поэтому протоны альдегида в случае поля чрезвычайно низкой напряженности – обычно в диапазоне от 9,3 до 10,0 м. д. – вступают в резонансное взаимодействие. Этот простой пример показывает, что магнитные взаимодействия с соседни ми ядрами способны дать ценную информацию касательно строения молекул. Именно анализ тонкой структуры сигналов магнитного резонанса стал одним из важнейших аспектов ЯМРспектроскопии.

13.4. Регистрация ЯМРспектров 1

НЯМРспектры органических соединений должны регистрироваться в апротон ных (не содержащих собственных протонов) или пердейтерированных раствори телях. Для этой цели годится, например, ССl4 либо дейтерированный раствори тель – дейтерохлороформ CDCl3. Чтобы при расшифровке спектров иметь некую исходную точку, добавляют еще тетраметилсилан (ТМС) в качестве внутреннего эталона. Жидкими или растворенными пробами заполняют стеклянные цилинд рические трубки вроде ампул диаметром от 5 до 10 мм. Объем проб для протонно го резонанса составляет 0,5–1,5 мл. С учетом значительно меньшей чувствительности при 13СЯМРспектроскопии, для проведения соответствующего анализа требуются увеличенные объемы пробы от 1 до 3 мл и ампулы диаметром 8–20 мм, что позволяет максимально уменьшить число требуемых накоплений и сократить до минимума затраты времени на регис трацию спектров. При этом диаметр измерительной ячейки ограничен размером зазора в магните или областью высокой однородности поля. К однородности поля предъявляются очень высокие требования, поскольку ею в основном определяется качество получаемых спектров.

408

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

При всех измерениях ЯМР измерительная ячейка с помощью небольшой воз душной турбины быстро вращается вокруг своей продольной оси. Так как вели чина магнитного поля варьирует в определенных пределах по объему пробы, вра щение дает эффективное улучшение однородности поля, ибо отдельные ядра в результате такого макроскопического движения пробы чувствуют усредненное внешнее поля. Для регистрации узких резонансных линий такая техника просто незаменима. Итак, необходимым условием регистрации хорошо разрешенных ЯМРспек тров является однородность магнитного поля. Накопление данных за большой период времени предполагает наличие чрезвычайно высокой стабильности отно шения поля/частоты спектрометра. Так как химический сдвиг зависит от поля, представляется чрезвычайно важным в процессе измерения удерживать указан ное отношение на постоянном уровне. Следовательно, здесь необходима система стабилизации резонансных условий. Для этой цели служит так называемый ста билизирующий канал (lockchannel). При непрерывной записи опорного сигнала удается фиксировать и посредством контура регулирования корректировать даже малейшие изменения напряженности магнитного поля. Более старые свипспектрометры снабжены системой гомостабилизации (homolocksystem), при которой сигнал эталона ТМС играет роль стабилизатора. В современных устройствах вместо него используют 2НЯМРсигнал дейтериро ванного растворителя, то есть используется гетеростабилизация (heterolock).

13.4.1. К вопросу о чувствительности Главным недостатком спектроскопии по методу ЯМР считается низкая чувстви тельность по сравнению с прочим спектроскопическими способами. Это объяс няется чрезвычайно малой разностью энергий между различными магнитными состояниями по отношению к средней энергии теплового движения. В заданном магнитном поле величины населенности возможных энергетических уровней спиновой системы описываются распределением Больцмана. Разность заселен ностей, например при резонансной частоте 60 МГц, составляет величину порядка 1/1000 промилле. Заселенность обоих состояний почти одинакова, и даже совсем небольшой избыток заселенности на нижнем уровне имеет значение с точки зре ния вероятности возбуждения и, следовательно, чувствительности способа изме рения. С учетом равной вероятности поглощения и вынужденного индуцированного излучения возможность наблюдения сигнала поглощения основана на этой нич тожной разнице населенностей. Это означает, что при измерениях на основе ядер ного магнитного резонанса только 1 из 100 000 ядер атомов способствуют появле нию наблюдаемого сигнала. При столь малой разнице заселенностей вполне может случиться так, что в ре зультате поглощения избыток заселенности нижнего энергетического уровня уст раняется быстрее, чем возможно его восстановление путем релаксации. Это зна чит, что коэффициент поглощения не есть величина постоянная, а определяется интенсивностью излученной радиочастоты. В связи с этим эффектом насыщения при ядерном резонансе механизмы релаксации приобретают особое значение.

13.4. Регистрация ЯМРспектров

409

13.4.2. Расход вещества Для протонного резонанса достаточно пробы вещества в объеме от 50 до 100 мкг, хотя вполне можно работать и с количествами до 1 мкг. При еще меньших объе мах пробы, например 100 нг, общее время измерения с учетом накопления спект ров составляет 1–2 дня. Более долгие периоды измерения обычно себя не оправ дывают. Для 13СЯМРспектроскопии в соответствии с меньшей чувствительнос тью требуется проба около 1 мг.

13.4.3. Накопление спектров Так как спектроскопия ЯМР в силу меньшей разницы энергий между основным и возбужденным состояниями не столь чувствительна, как оптические спектро скопические методы, то при однократной регистрации спектра сигналы неред ко просто исчезают на фоне шумов. По теории, с числом измерений n шум воз растает на n , то есть при n регистрациях спектра отношение сигнал/шум улуч шается на n . При накоплении или суммировании спектров спиновые системы многократ но возбуждаются последовательно друг за другом, а сигналы суммируются и за писываются затем в виде единого спектра. Естественно, для реализации этой ме тодики, кратко именуемой САТ (Cоmputer Averaged Transients), нужен компьютер. Спектр, в котором требуется измерить даже совсем слабые линии, регистрируется обычным образом и сохраняется в памяти ПК. Затем тот же самый спектр запи сывается вторично, и вторая версия суммируется с первой. Эту процедуру можно повторять бессчетное число раз. При этом стохастически распределенный шум частично усредняется при од новременном накоплении интенсивностей сигналов. Порой для регистрации бо лее внятных спектров требуется несколько тысяч подобных накоплений. При ма лых объемах проб и измерении нечувствительных ядер на запись спектров прихо дится тратить иногда несколько дней. И здесь к приборной технике предъявля ются особенно высокие требования с учетом необходимости поддержания постоянных условий регистрации. Число записанных при этом отдельных спектров зависит от продолжительно сти регистрации каждого из них. Так, для суммирования 1000 отдельных спектров с помощью свипспектрометра, при продолжительности регистрации 5 минут на каждый спектр, потребуется целых 3 дня. При использовании более быстрых, им пульсных Фурьеспектрометров со временем записи 1 секунда за тот же период можно накопить сотни тысяч спектров при соответствующем улучшении отно шения сигнал/шум.

13.4.4. Принципы интегрирования Интенсивность А сигнала ядерного резонанса зависит от разности населенностей соседних энергетических уровней: A (N0 – N1). Разность же, в свою очередь, опре деляется отношением населенностей, заданным через распределение Больцмана. В ЯМРспектроскопии интенсивность сигнала прямо пропорциональна общему числу частиц.

410

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса Резонансный сигнал

ТМС

Химический сдвиг, м. д.

Рис. 13.7. ЯМРспектр этанола с графической характеристикой интегрирования

В то время как положение резонансного сигнала в ЯМРспектре позволяет по лучить информацию об электронном окружении протонов, площадь такого сигна ла дает сведения о числе протонов. На этом основании при записи ЯМРспектра с помощью электронного интегрирующего устройства регистрируют одновременно ступенчатые характеристики, высота ступеней которых пропорциональна площа ди относящегося сюда резонансного сигнала (рис. 13.7). При определении высоты ступеней необходимо учитывать спинспиновую связь, чтобы охватить все относя щиеся к сигналу мультиплетные линии. Благодаря этому при известной формуле суммирования удается получить достаточно полную информацию о типе и количе стве протонов разных структурных единиц молекулы. Варьирование любых параметров, способных изменить отношение населен ностей, заметно сказывается на интенсивности сигнала. Поэтому значения всех величин, влияющих на интенсивность, – время релаксации, температура, маг нитная индукция, частота – на протяжении всего периода регистрации должны оставаться постоянными. Для получения количественной информации о пробе оцениваются, как правило, только отношения интенсивностей сигналов в преде лах одного спектра, поскольку разнообразные влияния интенсивностей сигналов из разных спектров обычно не дают возможности для точного сравнения.

13.4.5. Количественный анализ При исследовании смесей веществ известного состава можно проводить количе ственные анализы, если для каждого из этих веществ имеется четко изолирован ный кодовый сигнал. Прямая пропорциональная зависимость между интенсив ностями кодовых сигналов и молярными числами позволяет проводить количе ственные анализы на основе одногоединственного ЯМРспектра смеси. Экспе риментальной калибровки, как в оптической спектроскопии, здесь не требуется.

13.4.6. Магнитное поле Основную проблему при проведении экспериментов с измерением ЯМР пред ставляет малая полуширина резонансных линий – до менее 0,5 Гц при резонанс ной частоте 60 МГц. И именно порядка отношения этих величин (10–8) должна

13.5. ЯМРспектрометры

411

быть обеспечена стабильность источника магнитного поля и источника радиоча стот. Следует отличать спектры 1го порядка от спектров более высокого порядка. В первом случае химический сдвиг между отдельными группами достаточно ве лик относительно констант связи, поэтому интерпретировать такие спектры зна чительно проще, чем спектры более высокого порядка, у которых имеют место перекрытия. Магнитные поля большой напряженности облегчают интерпрета цию сигналов высокого порядка от спиновых систем. Часто вообще только они и допускают отнесение сигналов с похожими сдвигами. Поскольку химический сдвиг зависит от магнитного поля, а константы связи как параметры, относящиеся к конкретному веществу, остаются постоянными, иногда можно более сложные спектры перевести в более простые спектры 1го порядка, если проводить измерение в поле повышенной напряженности; тогда легче различать сигналы ядер с близкими сдвигами. В соответствии с большей разностью энергий требуются и более высокие резонансные частоты. Второе преимущество приборов с полем большой напряженности заключает ся в повышении чувствительности. С ростом напряженности поля увеличивается и разность энергий между возможными состояниями, что дает на основе распре деления Больцмана более значительную разность населенностей. При классификации спектрометров и, следовательно, ЯМРспектров исполь зуют не напряженность используемого магнитного поля, а указание соответству ющей частоты протонного резонанса. Первые коммерческие приборы, появив шиеся на рынке в начале 50х годов, были снабжены электромагнитами с напря женностью поля около 1,0 Т соответственно протонной частоте 40 МГц (для срав нения: магнитное поле Земли составляет примерно 6 ⋅ 10–5 Т). Далее последовали спектрометры с более сильными магнитами от 1,4 до 2,3 Т, соответствующими 60 и, соответственно, 100 МГц. Но на этом был достигнут предел применению обыч ных электромагнитов, ибо с традиционными ферромагнитными материалами не удается получить более мощного намагничивания. Затем в 1967 г. был предложен первый ЯМРспектрометр со сверхпроводящими магнитами, работающий с про тонной частотой 200 МГц. Для достижения сверхпроводимости эти магниты из ниобия и титана приходилось охлаждать жидким гелием до 4 К, поэтому их назы вают еще криомагнитами. Сегодня верхний предел криомагнитов находится на уровне 17 Т – соответственно частоте протонного резонанса 750 МГц1. В магнитных полях большой напряженности отмечается такое явление, как ори ентация малых молекул, что приводит к некоторому усложнению спектров. В связи с этим приборы на основе сильного поля, даже если оставить в стороне технологичес кие трудности и стоимостные резоны, имеют определенные ограничения.

13.5. ЯМРспектрометры Спектрометр на эффекте ЯМР состоит практически из тех же элементов, что и любой другой спектральный прибор, включая в себя источник излучения, моно 1

В настоящее время уже достигнуты поля, превышающие 21 Т, и частоты, превышающие 1 ГГц.

412

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

хроматор, поглощающую ячейку и детектор. И все же здесь имеются некоторые важные отличия. Предпосылки для поглощения энергии создаются только при использовании магнитного поля. Поглощающая ячейка находится в сильном маг нитном поле, чем обеспечивается расщепление спиновой системы в основное и возбужденное состояния. Происходящий при переориентации спинов отбор энер гии из источника излучения измеряется как сигнал поглощения. Поскольку частота поглощающего излучения находится в МГцдиапазоне, то есть в области ультракоротких волн, то многие понятия спектроскопии на маг нитных ядрах относятся скорее к сфере радиотехники, чем к оптической спект роскопии. Так, источником излучения здесь служит УКВпередатчик, чье гене рированное в высокочастотной катушке излучение уже само по себе является монохроматическим; следовательно, никакого дополнительного монохроматора здесь не требуется. Функцию детектора в ЯМРспектроскопии выполняет приемнорегистриру ющее устройство, причем катушка такого приемника регистрирует не ослаблен ный пробой сигнал источника излучения, а сигнал, индуцированный им в мате рии, – поперечную намагниченность. Поглощение излучения называют магнит ным резонансом, так как вращение стержневых магнитов происходит при часто те, равной ларморовой частоте. Существует два типа приборов для наблюдения ЯМР: • свипЯМРспектрометр и • ФурьеЯМРспектрометр. В первом случае измерение проводится во время передачи радиочастоты, ког да отдельные резонансные линии измеряются последовательно друг за другом. Во втором случае, напротив, измеряется релаксация после отключения радиочасто ты. Тогда возбуждение осуществляется для всех ядер атомов одновременно ко ротким полихроматическим импульсом. Поэтому точнее было бы говорить об им пульсном ФурьеЯМРспектрометре. Детектируемый сигнал от прецессирующих спинов после преобразования Фурье превращается в спектр частот. Но главное различие этих двух типов приборов состоит в гораздо более корот ком периоде измерения с помощью импульсного Фурьеспектрометра. И такое преимущество во времени постепенно возрастает. Если на регистрацию ЯМРспек тра с применением свипспектрометра уходит около 5 минут, то такое же изме рение импульсным Фурьеспектрометром будет завершено уже через несколько секунд. Максимально достижимая чувствительность коммерческих спектрометров за последние 30 лет повысилась не менее чем в 1000 раз. Такое возрастание чувстви тельности основано прежде всего на заметном повышении напряженности маг нитного поля и непрерывном общем совершенствовании техники Фурьепреоб разования. Аналогично области ИКспектроскопии, в которой традиционные спектрометры с дифракционной решеткой были практически полностью замене ны ФурьеИКприборами, происходят перемены и в сфере ЯМРспектроскопии. Свипспектрометры, пока еще используемые, но исключительно для решения

13.5. ЯМРспектрометры

413

простейших задач, активно и повсеместно вытесняются сегодня импульсными Фу рьеЯМРспектрометрами с программным управлением.

13.5.1. Свип спектрометр Еще Ф. Блох, открывший совместно со своими коллегами В. Хэнсеном и М.Э. Пак кардом явление ЯМР, использовал в январе 1946 г. такую аппаратуру для обнаруже ния протонного резонанса в воде. Первый коммерческий свипЯМРспектрометр увидел свет в 1960 г. Его важнейшими конструкционными элементами были маг нит, передатчик и приемник высокой частоты (рис. 13.8). Передатчик через одну катушку посылает сигнал высокой частоты, в то время как вторая катушка, повер нутая на 90°, образует приемник. Поэтому такое устройство называют еще спектро метром со скрещенными катушками. Резонансные условия технически могут быть достигнуты двумя способами: либо изменением магнитного поля при постоянной частоте передатчика, либо изменением частоты при постоянном магнитном поле. Оба приема довольно лег ко реализуемы на практике. Чаще всего работа ведется по принципу изменения поля. Варьирование маг нитного поля для регистрации спектра составляет при этом всего стотысячную часть напряженности результирующего поля. Столь ничтожно малые изменения магнитного поля трудно реализовать посредством соответствующего управления электромагнитом. Вместо этого с помощью свипкатушек накладывается и тре буемым образом изменяется магнитное поле малой напряженности. В свипспектрометре магнитное поле претерпевает под действием скрещен ных катушек непрерывное, точка за точкой, изменение при неизменной частоте слабого ВЧпередатчика. Вектор макроскопической намагниченности М, пред ставляющий собой результирующую отдельных стержневых магнитов µ, в случае резонанса отклоняется под общим воздействием ВЧпередатчика и магнитного поля В0 в направлении оси y. Возникшая при этом укомпонента, поперечная на

ВЧ передатчик

Колба с пробой

Свипкатушки Регулируемый генератор

Рис. 13.8. Свипспектрометр

ВЧ приемник

414

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса Поперечная намагниченность

Возбуждение

ВЧ передатчик

ВЧ приемник

Рис. 13.9. Принцип измерения ЯМР свипспектрометром

магниченность, индуцирует в катушке приемника сигнал (рис. 13.9), амплитуда которого соответствует стационарному состоянию между возбуждением ядра и релаксацией, то есть возвратом в основное состояние. Здесь следует работать с малой мощностью высокой частоты, чтобы избежать насыщения. Примерно до 1970 г. все ЯМРспектрометры функционировали именно по такому принципу. Но метод свипЯМРспектроскопии годится лишь для чувстви тельных ядер, таких как 1Н, 19F и 31В, с большими магнитными моментами и вы сокой природной распространенностью. В настоящее время приборы этого типа лишь изредка используются для получения протонного резонанса в качестве стан дартного оборудования с полем малой напряженности. Они практически повсе местно заменяются импульсными ФурьеЯМРспектрометрами, позволяющими благодаря возможности накопления спектров как в 1Н, так и в 13Срезонансе осу ществлять регистрацию интерпретируемых спектров минимальных объемов ве ществ, например на уровне биологических препаратов.

13.5.2. Импульсный Фурье ЯМР спектрометр По совершенно иному принципу функционирует импульсный ФурьеЯМР спектрометр. Метод Фурьеспектроскопии на магнитных ядрах впервые предло жил Р. Эрнст, удостоенный за свои работы Нобелевской премии в области химии в 1991 г. Первый коммерческий ФурьеЯМРспектрометр появился на рынке еще в 1966 г. При наличии полихроматического импульса высокой мощности и с ма лой длительностью от 10 до 50 мкс все резонансные частоты исследуемого вида ядер возбуждаются одновременно. По сравнению со свиписполнением здесь по лучают ощутимый выигрыш во времени. В оптимальном случае достигается по ворот намагниченности на 90°, то есть она полностью переводится в плоскость ху. Естественно, это позволяет наблюдать значительно более мощный сигнал, что наряду с экономией времени составляет еще одно важное достоинство импульс ной Фурьетехники. У свипспектрометра угол поворота, напротив, гораздо мень ше, поскольку мощность высокой частоты приходится здесь снижать во избежа ние эффектов насыщения.

13.5. ЯМРспектрометры

415

ВЧимпульс от 10 до 50 мкс

Свободное затухание индукции от 0,5 до 2 секунд

Рис. 13.10. Свободное затухание индукции

После отключения импульса намагниченность М подвергается еще только воз действию напряженности внешнего магнитного поля В0. Релаксационные перехо ды приводят к тому, что поперечная намагниченность затухает в течение 0,5–2 се кунд, и тогда приемнорегистрирующее устройство не индицирует более никако го сигнала (рис. 13.10). Этот процесс с экспоненциальным затуханием во времени известен как свободное затухание индукции (Free Induction Decay, FID). Поскольку в реальной ситуации проба содержит ядра с разными резонансными частотами, то характеристические кривые затухания отдельных поперечных намагниченно стей накладываются друг на друга, то есть ядра, прецессирующие с соответствую щими ларморовыми частотами, начинают интерферировать, и тогда на катушке приемника регистрируется интерферограмма, формирующаяся при «спаде» на магниченности. Эта интерферограмма подлежит затем математическому преоб разованию (на основе преобразования Фурье) в собственно спектр, для чего тре буется достаточно мощный компьютер. Так как свободное затухание индукции обычно протекает в течение 0,5–2 се кунд, то в этот промежуток времени на пробу могут направляться последующие импульсы. В таких условиях удается за более короткое время, чем со свипспект рометром, получить то количество спектров, какое необходимо для хорошего от ношения сигнал/шум. Импульсная ФурьеЯМРтехника позволяет, таким обра зом, проводить с умеренными затратами измерение спектров ЯМР на менее чув ствительных ядрах, например 13С и 2Н. В отличие от свипприборов, здесь используется не ВЧпередатчик, а генера тор импульсов. Высокочастотный генератор действует обычно с постоянной час тотой ν. Но, включив его лишь на короткую длительность импульсов t, получают широкую полосу частот в диапазоне ν ± 1/t. Например, импульс длительностью 10 мкс дает полосу частот шириной 105 Гц. Значит, когда частота ν выбрана пра вильно, в полосе частот содержатся все частоты измеряемого спектра. Поскольку амплитуда убывает с увеличением интервала ν, а все ядра должны возбуждаться

416

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

одинаково, то ширину импульса всегда выбирают с таким расчетом, чтобы ре зультирующий диапазон частот был на 1–2 десятичных порядка больше интере сующей полосы спектра. Спектроскопия по методу импульсного ЯМР с преобразованием Фурье бла годаря своему быстродействию позволяет накапливать огромное число спектров за достаточно короткое время. Это достоинство особенно ценно в ситуации, ког да для регистрации протонного спектра располагают совсем ничтожным количе ством вещества. Кроме того, при этом создаются условия для измерения менее чувствительных ядер. Безусловно, при проведении эксперимента с применением импульсной ФурьеЯМРспектроскопии никак не обойтись без компьютера. На ряду с накоплением спектров и Фурьепреобразованием, ЭВМ осуществляет уп равление почти всеми функциями спектрометра, так что современный спект ральный прибор немыслим без сложной системы управления, сбора и обработки данных.

13.5.3. Измерение релаксации Согласно статистике Больцмана, существует регулируемая разность заселенностей между отдельными энергетическими состояниями, соответствующими параллель ному и антипараллельному положению относительно внешнего магнитного поля (по полю и, соответственно, против поля). Поскольку в нижележащем энергети ческом состоянии находится больше ядер, то в направлении внешнего магнитного поля формируется «продольная компонента намагниченности». При усреднении составляющих отдельных спиновых векторов перпендикулярно оси z, вдоль кото рой направлено внешнее магнитное поле, в нормальном состоянии не существует «трансверсальной», то есть поперечной, компоненты намагниченности. В случае резонанса, когда ларморова частота соответствует частоте поглоще ния, данная система находится под действием двойного возмущения. Вопервых, индуцируется поперечная намагниченность и, вовторых, в результате иниции рования процессов переориентации создается разность заселенностей между ос новным и возбужденным состояниями и, следовательно, возникает макроскопи ческая намагниченность. До антипараллельного положения намагниченности спины ядер поглощают энергию, после чего они ее отдают. В зависимости от ши рины высокочастотного импульса намагниченность отклоняется от оси z под тем или иным углом. Так достигаются отклонения прежде всего на углы 90 и 180°. При релаксации следует различать два разных периода: время продольной, или спинрешеточной, релаксации Т1 и время поперечной, или спинспиновой, ре лаксации Т2. Время спинрешеточной релаксации Т1 дает сведения о длительнос ти восстановления распределения Больцмана соответствующих энергетических состояний ядра. При этом процессе спинрешеточной релаксации происходит обмен энергией с окружением ядра. Время спинспиновой релаксации Т2 харак теризует затухание интенсивности индуцированной намагниченности. После 90градусного импульса намагниченность прецессирует в плоскости ху вокруг магнитного поля. Отдельные компоненты намагниченности прецессиру ют на основе слегка различающихся магнитных полей в местах ядер атомов с не

13.6. Техника двойного резонанса

417

сколько различающимися частотами. Вследствие этого компоненты намагничен ности «разбегаются», а макроскопическая намагниченность исчезает с характе ристическим временем Т2. Энергия, поглощенная импульсом высокой частоты, с обычно большей посто янной времени Т1 передается от спинов ядер в окружающую среду, так что намаг ниченность претерпевает релаксацию с возвратом опять в термодинамическое рав новесное состояние. Ларморова прецессия намагниченности по принципу динамо инициирует в катушке приемника осциллирующий сигнал, который записывается. Это свободное затухание индукции экспоненциально ослабевает во времени. В стойких растворах время спинрешеточной релаксации Т1 определяется в пер вую очередь процессами релаксации внутри молекулы пробы. В результате переме щений молекулы флуктуируют локальные магнитные поля, которые, исходя от ядра или группы молекул, воздействуют на соседние ядра. Время Т1 складывается из раз ных частей, обусловленных: 1) дипольдипольной релаксацией между магнитными моментами соседних ядер в молекуле, 2) спинвращательной релаксацией, имею щей место, в частности, в очень малых молекулах и свободно вращающихся груп пах молекул, и 3) релаксацией в результате анизотропии химического сдвига. В конкретных условиях те или иные части доминируют либо могут отделяться друг от друга с применением специальных способов измерения. Тогда на основе измерений Т1 получают, например, информацию касательно внутреннего враще ния молекулярных группировок либо перемещений сегментов в крупных или, соответственно, ассоциированных молекулах. В случае молекул с затрудненным вращением группировок можно получить сведения о молекулярной динамике. На основе температурной зависимости спектров делаются выводы о термодинами ческой характеристике, например об энтальпии свободной активации [13.5]. Пу тем использования специальных последовательностей импульсов можно с помо щью 13СЯМРспектроскопии последовательно друга за другом определять пери оды релаксации для отдельных атомов С внутри одной молекулы, чем значитель но облегчается однозначное отнесение сигналов к отдельных группам молекул. Импульсная методика позволила значительно упростить процесс измерения вре мени релаксации, сделав его достаточно доступным для использования в иссле довательской работе.

13.6. Техника двойного резонанса Этот метод основан на возможности устранения спинспинового взаимодействия между отдельными ядрами. Сложные мультиплеты, возникающие в результате одновременной связи сразу с несколькими партнерами, можно упростить с по мощью техники двойного резонанса. Допустим, в имеющемся магнитном поле два разных ядра А и Х входят в резонансное взаимодействие при разных частотах. В стандартном варианте ядра связаны соединяющими их электронами и каждое ядро расщепляет сигнал другого ядра. Но если, в то время как измеряется сигнал одного ядра А, одновременно возбуждается резонанс другого ядра Х со вторым полем высокой частоты, то спинспиновая связь между А и Х прерывается и сиг нал А наблюдается в форме синглета.

418

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Этот феномен объясняется тем, что спинспиновое взаимодействие пропор ционально скалярному произведению соответствующих составляющих ядра и что, с другой стороны, сильное ВЧполе для ядра Х заставляет его непрерывно резо нировать, то есть прецессировать вокруг оси х. В то же время ядро А продолжает прецессировать вокруг оси z. Таким образом, оба момента ядра имеют эффектив ное расположение перпендикулярно друг другу, и их скалярное произведение, то есть спинспиновое взаимодействие, исчезает. Данное явление не ограничено исключительно двухспиновой системой. Если в системе любой сложности ядро Х возбуждается полем высокой частоты, то все имеющиеся связи с ядром Х прекращаются. Гетероядерные эксперименты с двой ным резонансом особенно важны с точки зрения 13Срезонанса, так как при этом спинспиновое взаимодействие между 1Н и 13С находится в области величин хи мического сдвига ядер 13С. В результате отдельные мультиплеты частично пере крывают друг друга, что сильно затрудняет интерпретацию спектров. Но если на ряду с резонансной частотой 13С поглощается вторая, модулированная, частота с высокой интенсивностью в зоне протонного резонанса, то все 13С1Нсвязи про падают. Для большинства пользователей эксперимент с двойным резонансом имеет та кое же значение, что и разрыв спиновой связи для упрощения спектров, ибо при этом у спектров становится меньше линий. Это, пожалуй, самый известный прием, но возможности его применения этим далеко не исчерпываются. С 1Нширокопо лосной связью, как и с прочими экспериментами двойного резонанса, связано по вышение интенсивности сигнала на основе ядерного эффекта Oверхаузера, кото рый в немалой степени способствовал тому, что 13СЯМРспектроскопия стала стан дартным методом химикоаналитических исследований. Помимо гетероядерной, существует еще и гомоядерная развязка, используемая прежде всего при протон ном резонансе. Во многих случаях спектры, несмотря на развязку, попрежнему не такто легко поддаются расшифровке. Но по изменению спектра удается увидеть хотя бы, где следует искать сигналы связывающихся друг с другом протонов. В принципе можно на основе нескольких следующих друг за другом экспериментов с развязкой прийти к отнесению всего спектра. Однако в практических условиях обязательно возник нут трудности, если резонансные частоты связывающих ядер окажутся слишком близко друг к другу. Гораздо нагляднее представить подобные «соседские» отно шения через двухмерный ЯМР. Современный импульсный ФурьеЯМРспектрометр требует поэтому нали чия нескольких ВЧпередатчиков: • импульсный передатчик для частоты интересующего ядра, действующий преимущественно с установленной мощностью; • второй ВЧисточник переменной частоты для экспериментов с двойным резонансом либо с развязкой, проводимых как в свип, так и в импульсном режиме; • механизм регулирования стабильности отношения поля/частоты при ра боте свипспектрометра.

13.7. Двухмерная ЯМРспектроскопия

419

Концепция исполнения современных ЯМРспектрометров ориентируется на полную автоматизацию эксперимента. Все операции, проводимые ранее вручную, теперь берет на себя ЭВМ.

13.7. Двухмерная ЯМРспектроскопия Главная проблема спектроскопии объясняется известным противоречием: с одной стороны, для однозначной идентификации вещества требуется спектр максималь ной сложности; с другой стороны, эта сложность спектра не должна фатально ме шать его расшифровке. В настоящее время можно говорить об одно и двухмерных (2М) вариантах ЯМРспектроскопии. При одномерном эксперименте получают спектр, показывающий химический сдвиг измеренного ядра и константы связи. На основе разработки многомерной ЯМРспектроскопии появилась возможность ис следования структуры и динамики макромолекул в растворе. Технические предпо сылки для этого были созданы благодаря высокоскоростной программной обра ботке больших объемов данных, равно как и повышенной чувствительности за счет сверхпроводящих магнитов, создающих сильные магнитные поля [13.6]. Это направление оказалось чрезвычайно плодотворным и привело к созда нию целого ряда важнейших экспериментальных методик, значительно увеличи вающих информативность метода ЯМР. Сейчас 2МЯМРФурьеспектроскопия широко применяется в физике твердого тела, химии и биологии. Существует боль шое число конкретных модификаций этого метода, укладывающихся в некото рые общие рамки. Поэтому целесообразно рассмотреть общую схему эксперимента при использовании 2МФурьеспектроскопии. Двухмерные ЯМРспектры получают на основе сложных последовательнос тей импульсов, то есть серии последовательно включенных сигналов, разделен ных постоянным либо переменным временем ожидания. При таком двухмерном эксперименте получают дополнительную информацию о корреляциях между хи мическим сдвигом и константами связи или корреляциях между химическим сдви гом 1Н и 13С либо другими ядрами [13.7]. 2МЯМРспктроскопия является подклассом импульсных Фурьеприборов. При двух или многомерной ЯМРспектроскопии поглощается множество радио частотных сигналов, так что весь эксперимент естественным образом делится на три периода: • подготовительный период, • период эволюции и • период регистрации. В подготовительный период система спинов приводится в нужное начальное состояние. Осуществляется поперечное намагничивание с разрывом связи либо без него. Время эволюции между возбуждением и регистрацией систематически варьируется в серии отдельных экспериментов путем сложения приращений вре мени (рис.13.11). Работа почти всегда ведется с 90градусным импульсом, и в ре зультате насыщения получают длительные периоды релаксации. Дополнительное накопление данных требует затем интенсивной обработки.

420

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Свободное затухание индукции

Рис. 13.11. Последовательность импульсов для гетероядерного двухмерного 13 Сспектра

Таким способом можно отобразить химические сдвиги разных ядер молекулы на раздельных частотных осях. При этом в молекуле могут быть выявлены смеж ные ядра по их обоюдному взаимодействию и достаточно просто расшифрованы сложные, с обилием линий спектры. Резонансные частоты и частоты спинспи новых взаимодействий, не различимые в одномерном спектре, могут быть пред ставлены на двух раздельных осях частот и тем самым отделены друг от друга. Интерпретация ЯМРспектров сложных спиновых систем иногда достижима только с помощью компьютерной программы в рамках результативного итераци онного метода. Наличие высокопроизводительных ПК и доступных по цене уни версальных рабочих станций послужило мощным толчком к разработке совре менного программного обеспечения для ЯМРспектроскопии. Важнейшим вспо могательным средством в плане математических расчетов при анализе многоим пульсных экспериментов, состоящих часто из многих тысяч ВЧсигналов, является оператор Гамильтона, или гамильтониан, описывающий полный эффект от дей ствия сложной последовательности импульсов на заданную спиновую систему в форме эффективных магнитных полей и связей [13.8]. При трехмерной (3М) ЯМРспектроскопии дополнительно вводится еще вто рое время эволюции, вследствие чего можно выделить химический сдвиг 13Сядра и спинспиновые связи между 13С и 1Н, а также между 13С и 2Н. Эта методика на ходит применение при исследовании сложных спектров биологических макро молекул. 3МЯМРспектроскопия требует долгого периода измерения и доста точно дорогостоящей обработки данных. И наконец, четырехмерную (4М) ЯМР спектроскопию применяют в дополнение к ядерному эффекту Оверхаузера [13.9].

13.8. Ядерный эффект Оверхаузера Ядерный эффект Оверхаузера получил такое название в связи с тем, что он пред ставляет собой аналогию открытого Оверхаузером явления, наблюдаемого при взаимодействии электронов и ядер атомов. Речь идет, можно сказать, о вполне

13.9. Практическое применение ЯМРспектроскопии

421

благоприятном привходящем обстоятельстве, имеющем место при развязке про тонов. Данный эффект основан на магнитном дипольдипольном взаимодействии между ядром 13С и протоном, которое позволяет возбужденному 13Сядру отда вать свою энергию и возвращаться в основное состояние. При этом используется то обстоятельство, что системы спинов ядер и спинов электронов не полностью независимы друг от друга. Насыщение соседней системы спинов ядер приводит к изменяющейся заселенности на возможных уровнях и, следовательно, к повы шению либо понижению интенсивности резонансного сигнала при поглощении частоты соседнего ядра. Когда протонный резонанс возбуждается сильным полем высокой частоты, равновесие резко нарушается, стремясь за счет усиленной 13Срелаксации вос становить нормальное распределение Больцмана. Результатом становится то, что основное состояние 13Сядра оказывается заселенным сильнее, чем это обычно бывает. Таким образом, если в этих условиях наблюдается 13Срезонанс, то может быть возбуждено больше ядер, чем обычно, в результате чего значительно возрас тает интенсивность сигнала; ядерный эффект Оверхаузера способен дать 50%ное увеличение интенсивности сигнала. Он сильно зависит от взаимной удаленности двух ядер и убывает с шестой степенью расстояния между ними. На основе изме рения ядерного эффекта Оверхаузера получают, учитывая указанную зависимость от названного расстояния, весьма ценную информацию касательно стереохимии соединения.

13.9. Практическое применение ЯМРспектроскопии Из хорошо разрешенного спектра ЯМР можно извлечь в общей сложности пять важных параметров: количество, химический сдвиг δ, константы связи, а также мультиплетность и интенсивность сигналов. В качестве шестого параметра мож но добавить еще результат измерения релаксации. При решении химических про блем разного рода на первом месте, как и прежде, остаются структурные исследо вания. Чувствительность этих спектров в отношении различения структур и ма лая полуширина сигналов служат основой для обнаружения самых ничтожных различий в строении проб. С развитием импульсной ФурьеЯМРспектроскопии стали возможны структурные исследования даже очень сложных молекул, в том числе углеводов, терпенов, стероидов, протеинов и пептидов. В случае структурных исследований порой совсем не обязательно интерпре тировать весь спектр. При распознавании небольшого числа возможных строе ний достаточно иногда определения однойединственной характеристической константы связи, идентификации мультиплетности сигналов или типичного хи мического сдвига сигнала, чтобы установить искомое строение, конфигурацию либо конформацию. При исследовании смеси веществ часто удается с помощью характеристических кодовых сигналов по одномуединственному спектру пос ледовательно друг за другом проводить не только качественные, но и – через отношение интенсивностей кодовых сигналов – даже количественные опреде ления [13.10].

422

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Наряду с выявлением строения отдельных компонентов, особенно на основе протонной и 13СЯМРспектроскопии, была значительно расширена область при менения указанных методов для целей выяснения происхождения естественных и искусственных веществ. Обнадеживающие результаты получены, в частности, на уровне структурноспецифичных и количественных определений отдельных компонентов в сложных смесях веществ. Названными примерами далеко не ис черпывается круг задач, решаемых с помощью ЯМРспектроскопии, и этот круг будет несомненно расширяться.

13.9.1.

13

С ЯМР спектроскопия

Начальный этап 13СЯМРспектроскопии восходит к 1957 г. В те времена суще ствовали весьма веские обстоятельства, определенным образом затрудняющие бы строе и успешное распространение данной методики. Чувствительность резонан сного возбуждения для ядер с одинаковым спиновым квантовым числом пропор циональна µ3. Поскольку магнитный момент 13С составляет лишь четверть маг нитного момента 1Н, то чувствительность для ядер 13С при равной концентрации в пробе будет примерно в 64 раза ниже чувствительности к ядрам 1Н. Если при нять во внимание еще и природную распространенность, то у ядер 13С таковая составит только 1,1% против 99,99% у ядер 1Н, так что по сравнению с протонным резонансом чувствительность ЯМР 13С будет ниже в 5700 раз. Кроме того, 13СЯМРспектр показывает сильное сверхтонкое расщепление резонансных сигналов вследствие спинспинового взаимодействия с протонами, что также дает определенную потерю чувствительности. Зато по причине меньшей распространенности ядер 13С практически сводится к нулю дипольдипольное вза имодействие 13С13С. Поэтому 13Сспектры обычно записываются с 1Нширокопо лосной развязкой, и тогда говорят о широкополосных спектрах. При такой тех нике двойного резонанса резонансная частота для протонов поглощается вплоть до насыщения. В этом случае между ядрами 13С и 1Н уже не будет спинспинового взаимодействия, то есть распределенная интенсивность мультиплета объединя ется в синглет. При этом получают спектры нулевого порядка, содержащие ис ключительно синглеты. Поскольку возбуждению подлежат все протонные резо нансы, основная частота развязывающего поля модулируется в области протон ного резонанса. В результате получается эффективная полоса частот, обеспечиваю щая одновременный разрыв связи всех протонов, и тогда говорят о широкополосной развязке. По причине более высокой плотности электронов вокруг ядра 13С диамагнит ные и парамагнитные компоненты экранирования гораздо сильнее воздействуют на резонансный сигнал, чем на сдвиги 1Н. Следовательно, область сдвигов при мерно с 250 м. д. значительно шире, чем в резонансе 1Н. В настоящее время 13СЯМРспектроскопия по своему значению вполне срав нима с 1НЯМРспектроскопией, причем современная приборная техника позво ляет регистрировать 1Нспектр и 13Сспектр с одной и той же аппаратурой без смены ампул для проб.

13.9. Практическое применение ЯМРспектроскопии

423

13.9.2. Дейтериевая ЯМР спектроскопия Если даже 13СЯМРспектроскопия с ее гораздо меньшей чувствительностью была доступна лишь при условии привлечения методик на основе сильного поля и Фу рьепреобразования, то в отношении дейтериевой ЯМРспектроскопии прихо дится констатировать, что она еще раз в 100 менее чувствительна. Природная рас пространенность дейтерия чрезвычайно мала и составляет всего 0,016%. Но дей терий обладает важным свойством – он способен на химическом либо биохими ческом уровне замещать нормальный водород в разных точках молекулы, что приводит к образованию C–Dсвязей. DЯМРспектроскопия предлагает, таким образом, возможность изучения молекулярной структуры и динамики биополи меров с сегментным разрешением, благодаря чему она становится в один ряд с важнейшими спектроскопическими методами биофизических исследований. С помощью дейтериевой ЯМРспектроскопии удается однозначно различать продукты природного и искусственного происхождения с получением соответству ющей характеристики источника происхождения. Этот метод основан на количе ственном определении содержания природного дейтерия в химически различаю щихся позициях органических соединений. Речь идет, следовательно, о регистра ции изотопомеров, то есть соединений с равным элементным составом и одинако вой структурной формулой, но с разным содержанием изотопов. Особое признание данный способ получил, когда удалось на основе разных отношений изотопов об наружить пути спиртового брожения, что позволяет доказывать фальсификацию вин, предпринимаемую путем добавления сахара перед брожением [13.11]. В основе данного способа определения лежит тот факт, что С–Dсвязи несколь ко прочнее и, значит, химически несколько более инертны, чем соответствующие Н–Ссвязи. В силу этой разницы в реакционной способности при биосинтезе ста новятся заметны кинетические изотопные эффекты. Можно, следовательно, исхо дить из того, что для отдельных позиций в молекуле отношение D/H изменяется в зависимости от происхождения, то есть от пути синтеза. Природная распространенность дейтерия в земной коре не везде одинакова. В среднем содержание дейтерия составляет 155 м. д., что достаточно точно опре делено массспектрометрическим методом. В результате действия центробежных сил при вращении Земли отношение изотопов D/H в воде на экваторе в два раза больше, чем на полюсах. Так как вода является источником водорода для всех органических соединений на земном шаре, отношение изотопов D/H в природ ных веществах определяется географической широтой и, соответственно, «пре дысторией» вещества. Другие элементы или соединения в атмосфере также под вержены действию центробежных сил при вращении Земли, но разница их мас совых чисел столь мала, что ни о каком скольконибудь заметном разделении го ворить не приходится. В случае ядра дейтерия речь идет – в отличие от протона, имеющего спиновое квантовое число ядра I = 1/2, – о квадрупольном ядре с I = 1. Такие ядра имеют асимметричное распределение заряда и, следовательно, представляют собой квад руполь, который, как представляется, состоит из двух электрических диполей. В локально неоднородном электрическом поле, то есть в поле с электрическим

424

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

градиентом, обусловленным, например, окружающими электронами C–Dсвя зи, электрическое квадрупольное взаимодействие приводит к расщеплению ре зонансных линий ядра. Так, Dрезонансная линия в ЯМРспектре расщепляется в две линии. Это квадрупольное расщепление наблюдается только в твердых те лах или микроскопически упорядоченных системах, например в двойных слоях липидов. Быстрое вращение молекул изотропных жидкостей, напротив, приво дит к усреднению квадрупольного взаимодействия и, следовательно, к одной единственной линии поглощения. Фурьеприборы с сильным полем и возможностью накопления спектров по зволяют сегодня исключить все проблемы при использовании DЯМРспектро скопии. Резонансные частоты дейтерия находятся в магнитном поле 9,39 Т при мерно при 61,4 МГц. Интерпретация дейтериевых спектров ядерного магнитного резонанса не вызывает особых затруднений, ибо химические сдвиги 2Н в органи ческих соединениях практически идентичны таковым у 1Н.

13.9.3. ЯМР томография Применение ЯМРспектроскопии в медицине открывает замечательные перспек тивы – уже хотя бы в связи с тем, что в этом случае пациент не подвергается дей ствию опасного излучения [13.12], так что контрольные исследования на стадии лечения можно повторять сколь угодно часто. Используемые радиочастоты обла дают энергией на пять десятичных порядков меньше, чем у химических соедине ний, поэтому нагревания тканей не происходит. В отличие от рентгенографии данный метод не инвазивен и не деструктивен [13.13]. Известное ограничение метода связано с его низкой чувствительностью, по этому на живых организмах обычно допускается лишь измерение основных ком понентов молекул, участвующих в обмене веществ. Но, с другой стороны, иссле дуемые метаболиты не обязательно должны быть заранее известны, поскольку ЯМРспектры, как правило, содержат достаточно информации для идентификации вещества. Пробы не нуждаются ни в какой лабораторноклинической подготовке. При работе с живым организмом имеется возможность во время либо после проведения контроля «с нагрузкой» регистрировать спектры и сравнивать их с таковыми в нормальном состоянии пациента, получая данные об обмене веществ. Для клинического применения выбирают прежде всего изотопы 1Н, 31Р и 23Na. В силу меньшей природной распространенности 13Сспектры требуют достаточ но долгих периодов измерения и используются поэтому только в исключитель ных случаях, обычно с изотопным насыщением. Наряду с исследованиями жи вых организмов, регистрируются ЯМРспектры разных жидкостей человеческо го тела – крови, мочи, слюны и клеточных экстрактов. Одной из популярных областей применения стала в последние годы ядерно спиновая томография – использование ЯМРтехники в целях медицинской ди агностики. При этом с помощью протонных сигналов получают послойные изоб ражения внутренних органов человека. Так как протоны в составе молекул воды повсюду присутствуют в теле и легко обнаруживаются посредством ЯМРмето дики, удается получить чрезвычайно подробные анатомические «картинки».

13.9. Практическое применение ЯМРспектроскопии

425

Новейшей разработкой в этой области стала «локализованная» ЯМРспект роскопия, дающая информацию о биохимических условиях в определенных, ло кально ограниченных зонах органа или ткани. Биомедицинский ЯМР помогает, например, аналитически отслеживать процессы обмена веществ в мозге. Данная методика, с одной стороны, служит целям выявления разных опухолей мозга с помощью известных специфичных биохимических образцов и, с другой стороны, позволяет установить вид и размер повреждений, например, в результате мозго вого инфаркта, а в последующем оценивать и контролировать эффективность применяемых терапевтических мер. Все вышесказанное в равной степени относится и к другим болезням головного мозга, в том числе к дегенеративным или психическим заболеваниям, вызванным нарушением обмена веществ. Среди таковых можно назвать, например, рассеян ный склероз, эпилепсию, СПИД или болезнь Альцгеймера. ЯМРспектроскопию успешно используют и при исследовании других органов – печени, почек и сердца. Помимо диагностики и терапевтического контроля, следует назвать также еще одну весьма важную область применения рассматриваемого метода – контроль эффек тивности лекарственных растений и медикаментов. Вопервых, при этом удается установить действие определенного препарата на обмен веществ того или иного органа или ткани, вовторых, можно проследить, как в ходе обмена веществ проис ходит распад медикаментов и каково последействие продуктов их превращения.

13.9.4. ЯМР микроскопия Наряду с давно известным применением ЯМРспектроскопии для медицинских целей в форме ядерноспиновой томографии, все чаще прибегают к регистрации структур в субммдиапазоне. Основным объектом исследований становятся био логические пробы либо разнообразные материалы. Утвердившийся в последние годы термин «ЯМРмикроскопия» указывает прежде всего на высокое простран ственное разрешение, которое, впрочем, лишь в исключительных случаях дости гает уровня оптических микроскопов. В отличие от применения ЯМР для реше ния медицинских проблем с пространственным разрешением порядка 1 мм, при соответствующем переоснащении ЯМРспектрометров удается наблюдать также объекты диаметром в несколько микрометров.

13.9.5. ЯМР твердого тела Огромный аналитический потенциал хорошо разрешенной ЯМРспектроскопии уже в начале 70х годов успешно использовался для изучения твердых тел, предо ставляя информацию о молекулярных структурах – кристаллической и аморф ной зонах пробы. В силу анизотропного поведения многих твердых тел возника ют не только резонансы, соответствующие тому или иному химическому окруже нию, но и резонансы, вызванные разной ориентацией частиц относительно внеш него поля. Стоит упомянуть еще один аспект, связанный с анизотропным взаимодействием обладающих магнитной активностью ядер друг с другом. Чем менее симметрично окружение ядра, тем сильнее проявляется анизотропия хи мического сдвига в ЯМРспектрах твердого тела. Это могут быть косвенные взаи

426

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

модействия, обусловленные концентрированием электронов, либо дипольди польные пространственные взаимодействия. В твердых пробах дипольдиполь ное взаимодействие определяет форму ЯМРсигналов [13.14]. В случае полимерных соединений все линии имеют как правило ширину до не скольких кГц, поскольку в аморфном полимере нет четко определенного молеку лярного окружения. Если проба, кроме прочего, содержит еще ядра с квадруполь ным моментом, то есть I > 1/2, то анизотропные взаимодействия квадруполя с гра диентами электрического поля определяют форму линий и число резонансов. У твердых тел, в отличие от растворов, возникает дополнительное прямое спин спиновое взаимодействие. В растворе броуновское движение молекул способствует значительному усреднению анизотропных эффектов, так что ядра с I = 1/2, то есть с симметричным распределением заряда в ядре, обычно дают ЯМРспектры с очень высоким разрешением. Ширина линий резонансных сигналов в раство рах невелика и уменьшается до 0,1 Гц. Напротив, спектральные линии твердых тел чрезвычайно широки и достигают нескольких кГц. По причине достаточно большого периода продольной релаксации Т2 быстрое накопление большого чис ла спектров здесь едва ли возможно. Поэтому для регистрации ЯМРспектров твердого тела проводится экспери мент по принципу CPMAS (Cross Polarization Magic Angle Spinning – вращение плоскости кроссполяризации) (см. рис. 13.12). MAS был предложен еще в 1959 г. Лоу и Эндрю, а СРэксперимент впервые вынесен на обсуждение в 1972 г. Так как протоны по сравнению с другими ядрами обладают чрезвычайно большим маг нитным моментом, они в результате анизотропных взаимодействий особенно спо собствуют распространению резонансных сигналов 13С. Поперечная, или кросс поляризация представляет собой многомерный эксперимент, при котором часть чувствительности ядер 1Н передается менее чувствительным ядрам 13С [13.5]. Любое магнитно активное ядро создает локальное магнитное поле, имеющее компоненту в направлении внешнего магнитного поля. Оказывается, данная ком

Ротор ВЧкатушка

Сжатый воздух для привода ротора

Рис. 13.12. CPMASэксперимент для регистрации ЯМРспектров твердого тела

13.10. Резюме и перспективы развития ЯМРспектроскопии

427

понента в зависимости от направления локального поля меняет свой знак и с углом Ф = 54°44′ принимает нулевое значение в соответствии с фактором 3 cos2Ф – 1 = 0 для угловой зависимости. Этот угол Ф = 54°44′ называют магическим (magic angle). Проба вращается в измерительном устройстве вокруг оси, которая с внешним маг нитным полем образует указанный магический угол. Далее происходит следующее: при достаточно быстром вращении (Spinning) во временном среднем все векторы в пробе принимают угол Ф, и тогда анизотропные взаимодействия исчезают. Ско рость вращения должна соответствовать ожидаемой разности химического сдвига и составлять не менее 4 кГц при высоком постоянстве на протяжении многих ча сов. С помощью описанной методики исследуются, например, синтетические макромолекулы, чтобы на основе полученных отношений структуры/свойства це ленаправленно изготовлять новые полимерные материалы и оптимизировать их характеристики [13.16].

13.9.6. Ионный циклотронный резонанс Использование техники и подходов ЯМРспектроскопии в массспектрометрии привело к созданим массспектрометрического метода ионного циклотронного резонанса, обладающего сверхвысоким разрешением. В этом методе ионы, вра щающиеся в магнитном поле с циклотронной частотой, определяемой отноше нием m/e, подвергаются действию электромагнитного излучения в диапазоне ра диоволн, которое приводит к возбуждению их циклотронного движения, когда радиочастота совпадает с циклотронной частотой вращения в магнитном поле. После возбуждения детектируется сигнал, наводимый свободно вращающимися ионами на детектирующих пластинах ионной ловушки, в которой проводятся из мерения. Преобразование Фурье этого сигнала дает спектр частот вращения, а его калибровка на величину магнитного поля дает спектр масс ионов. Этот метод масс спектрометрии в настоящее время обладает самой высокой разрешающей способ ностью и точностью измерения масс. Первоначально он использовался главным образом для исследования ионномолекулярных реакций, а в настоящее время он является одним из основных методов биологической массспектрометрии.

13.10. Резюме и перспективы развития ЯМРспектроскопии Во многих отраслях химической промышленности структурный анализ органи ческих соединений остается основным и незаменимым способом исследования. Наряду с собственно активными началами, приходится определять и иденти фицировать также промежуточные, побочные продукты, продукты распада и ме таболиты. Важнейшим средством изучения структуры веществ является здесь спектроскопия на эффекте ЯМР. Никакой другой метод не в состоянии за столь короткое время выдать такой объем информации о химическом соединении, включая число протонов, вид связи и характер функциональных групп. Конеч но, оптические методы на основе УФ/видимой, ИКобластей и комбинацион ного рассеяния попрежнему занимают важное место в аналитической химии,

428

Глава 13. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

но все же основные надежды возлагаются сегодня на ЯМР и массспектроско пию и ее многочисленные модификации. Разного рода двухмерные методики, равно как и ЯМРизмерения на ядрах (13С, 15N, 19F, 31P и др.), сообщают этому спектроскопическому методу небывало широкое многообразие и разносторон ность применения. Сегодня, пользуясь всего одной ампулой для проб, можно спо койно измерить 1Нспектр, а затем сразу 13Сспектр – без всякой замены техни ческих средств. Потенциал ЯМРспектроскопии для сфер медицины, биологии и материало ведения еще далеко не исчерпан. Выявлять строение биомолекул можно непосред ственно в растворе. И при этом регистрации подлежит динамическая структура, в то время как при рентгенодиагностике протеин должен присутствовать в кристал лической форме. Постоянно появляется много новых и все более сложных импуль сных методов. Здесь проблема заключается в правильной интерпретации спектров и также в технике записи. Современные ЯМРспектрометры предлагают множе ство самых разных способов измерения, применение которых требует определен ных навыков и соответствующего уровня знаний. Необходимо, например, правильно устанавливать зависимые от констант связи периоды ожидания, в противном слу чае не избежать серьезных ошибок при расшифровке спектров. В данный момент чрезвычайно нужны и успешно разрабатываются комплек сные программы обработки информации, целью которых является интерпрета ция сложных молекулярных спектров с получением максимально точного резуль тата. Чтобы такое обилие возможностей поставить на службу пользователям, в том числе начинающим специалистам и студентам, должна быть предложена удоб ная в обращении концепция, основанная на уже имеющихся данных измерения и не требующая от пользователя детального знания используемой методики. Ог ромный объем получаемой информации невозможно обработать, не прибегая к помощи сложых методов вычислений. Экспертные системы предлагаются в каче стве вспомогательного средства для более совершенной интерпретации спектров – в случаях, когда сравнение с банком данных не дает удовлетворительного ре зультата. Следует отметить, что данная концепция не являет собой нечто застыв шее, она отличается чрезвычайной гибкостью, позволяющей максимально полно реализовать имеющиеся возможности. Развитие последовательностей импульсов при двух и трехмерной ЯМРспект роскопии позволяет получить ответы на самые разные вопросы. В последнее время ЯМРспектроскопия с использованием ядерного эффекта Оверхаузера на основе снабженных изотопными индикаторами протеинов прорвалась уже и в четвертое измерение. Спектры NOESY (Nuklear Overhauser Enhancement Spectroscopy – усо вершенствованная ядерная спектроскопия Оверхаузера) успешно применяют при исследовании строения протеинов. Гомоядерная двухмерная корреляция сдвига дает так называемый спектр COSY (Correlated Spectroscopy). Рядом с «нормаль ным» спектром на диагонали появляются еще перекрестные сигналы (кросспики), демонстрирующие спинспиновое взаимодействие. При DEPTэксперименте (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer), помимо химического сдвига 13 Ссигналов, получают также мультиплетность, то есть данные о том, идет ли речь о третичном либо первичной атоме С.

13.10. Резюме и перспективы развития ЯМРспектроскопии

429

На этом фоне приборная техника тоже не стоит на месте. ЯМРспектрометры нового поколения отличаются эффективными импульсными программами с со ответствующей компьютеризованной обработкой данных. Сложные последова тельности импульсов, то есть серии последовательно включенных сигналов, раз деленных постоянными или переменными периодами ожидания, способствуют повышению информативности, создавая условия для интерпретации спектров все более сложных, многокомпонентных соединений. Для примера назовем здесь лишь некоторые из известных импульсных программ: SPI (Selective Population Inversion experiment), INEРT (Intensive Nuclei Enhancement by Polarization Transfer) и INADEQUATE (Incredible Natural Abundance Double Quantum Transfer). Чрезвычайно активно развивается также ЯМРспектроскопия твердых тел, поскольку она способна показать не только химические, но также надмолекуляр ные структуры, а именно кристаллические и аморфные области пробы. Дополни тельно можно получить информацию касательно динамики молекул или, соот ветственно, их сегментов. Исторически обусловленной считается главная область использования ЯМРспектроскопии твердых тел – исследование органических молекул, но ее значение возрастает и в сфере изучения однородных материалов и керамических композитов. В настоящее время в мире работает примерно 15 000 ЯМРспектрометров, из которых 90% являются приборами высокого разрешения. Примерно треть всех ЯМРспектрометров находит применение в медицине. В частности, метод MRI (Magnetic resonance imaging) успешно работает при исследованиях на живых орга низмах. Больницы и клиники оснащены подобной аппаратурой, позволяющей проводить диагностику состояния определенных органов человека.

ÃËÀÂÀ 14 ÐÅÍÒÃÅÍÎÔËÓÎÐÅÑÖÅÍÒÍÛÉ ÀÍÀËÈÇ После открытия лучей, названных его именем, Конрад Вильгельм Рентген в 1895 г., в частности, сообщал: «С помощью этих новых лучей можно отобразить на фо$ топластинке кости руки живого человека». Тогдашняя пресса посчитала это бре$ дом больного воображения либо глупой шуткой. Даже Ф. Браун, сконструиро$ вавший некогда «трубку Брауна», прокомментировал это высказывание следу$ ющим образом: «До сих пор Рентген выглядел вполне вменяемым человеком». И только обнародованный Рентгеном снимок кисти руки заставил скептиков замолчать. Врачи сразу же поняли практическое значение открытия Рентгена, который теперь был осыпан всяческими почестями. От рыцарского титула он отказался, а Нобелевскую премию по физике в 1901 г. с благодарностью принял. Первым элементом, открытым в 1922 г. с помощью рентгеновской спектроско$ пии, был гафний. В химико$аналитической практике оптические атомные и рентгеновские спек$ тры привлекают для проведения качественных анализов и количественного оп$ ределения элементов. Если в случае оптических атомных спектров используют эмиссию, поглощение и флуоресценцию, то в случае рентгеновских спектров пре$ имущественно оценивают наблюдаемое флуоресцентное излучение. Рентгенофлу$ оресцентный анализ стал сегодня стандартным методом во многих областях – в минералогии, на промышленном производстве, при идентификации материалов и проч. С его помощью можно исследовать без разрушения образца почти все жидкие и твердые вещества. Классический анализ по принципу рентгеновской флуоресценции, как правило, не требует длительной пробоподготовки и поэтому особенно привлекателен для сферы контроля твердых образцов промышленной продукции разного рода. При рентгеновской флуоресценции характеристические эмиссионные линии возникают в результате ухода электронов с внутренних орбиталей. При этом ос$ вободившиеся орбитали заполняются в результате перехода электронов из вне$ шних оболочек с эмиссией рентгеновского излучения. По сравнению со спектро$ скопией в УФ$ и видимой областях спектра, где вследствие большего числа воз$ можных переходов получаются достаточно сложные спектры, рентгеновские спек$ тры отличаются своей простотой. Помимо прочего, они практически не зависимы от вида химической связи атомов, ибо таковая возникает только в результате элек$ тронного взаимодействия с внешними валентными электронами. Но разности энергий между внутренними орбиталями очень велики, поэтому электромагнитное излучение для наблюдения этих переходов обладает огромной энергией и находится в области рентгеновского излучения. Такое излучение вклю$ чает в себя интервалы длин волн от 0,01 до 20 нм, причем в химико$аналитичес$

Рентгенофлуоресцентный анализ

431

ких целях используется в большинстве случаев только область от 0,02 до 2 нм. В настоящее время обилие разных типов спектрометров – от самых простых и дешевых исполнений для определения отдельных элементов до более сложных и дорогих систем – позволяет эффективно проводить исследование разных проб в больших объемах. В основу рентгенофлуоресцентного анализа положен закон Мозеля, согласно которому длина волны исходящего от пробы излучения определяется порядко$ вым номером излучающего элемента. На основе длины волны и энергии спект$ ральной линии достигается качественное определение химического состава про$ бы. Между тем успешное проведение оптической спектрометрии (атомно$абсор$ бционной или эмиссионной с индуктивно связанной плазмой) предполагает, что по составу пробы уже можно судить о том, что именно следует искать. Спектро$ скопия рентгеновской флуоресценции предлагает вариант возможной рациона$ лизации многоэлементного анализа сырьевых, вспомогательных и производствен$ ных материалов, отличающихся химическим многообразием и широкими анали$ тическими областями измерения для большого числа элементов. Поскольку интенсивность излучения зависит от количества одновременно возбужденных атомов, рентгеноспектральный анализ может использоваться и для количественных определений. В зависимости от определяемого элемента, возмож$ на работа на уровне миллионных долей (м. д.). Все шире внедряемые в последнее время управляющие ЭВМ позволяют значительно усовершенствовать процесс управления спектрометрами, что одновременно повышает прецизионность ме$ тода в целом. С помощью рентгеновской флуоресценции можно сегодня опреде$ лять элементы с относительной точностью 0,05%. Однако, принимая во внима$ ние довольно плохие пределы обнаружения, данный метод не столь привлекате$ лен в отношении следовых и ультраследовых анализов. Хотя рентгеновское излучение было открыто довольно давно и еще в 1913 г. Мозель доказал, что между частотой рентгеновских лучей и квадратом порядко$ вых номеров элементов существует линейная зависимость, лишь в 50$х годах хи$ мико$аналитические лаборатории стали оснащаться спектральными приборами серийного производства для проведения рентгенофлуоресцентных анализов. По$ скольку данный метод позволяет проводить абсолютно недеструкционное иссле$ дование почти всех твердых и жидких образцов, он быстро приобрел популяр$ ность. Правда, работать приходилось преимущественно с вполне тяжелыми эле$ ментами (с порядковым номером > 20) и требовались достаточно высокие кон$ центрации. Но все возрастающее распространение метода, поставившее его в один ряд с известными стандартными способами спектрального исследования, способ$ ствовало стремительному повышению степени автоматизации. В довершение, обслуживание оборудования значительно облегчалось благодаря разработке со$ ответствующего программного обеспечения. Спектральный метод рентгеновской флуоресценции для измерения толщины слоев был освоен на уровне промышленного производства только в начале 80$х годов, но очень быстро стал одним из важнейших методов бесконтактного и про$ водимого без разрушения материала измерения толщины слоев, причем с воз$

432

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

можностью определения толщин довольно тонких слоев на минимальной пло$ щади измерения. С его помощью можно быстро и без проблем измерять толщины гальванических слоев, в том числе и в многослойных образцах. Указанные преимущества рентгеноспектрального анализа способствовали тому, что благодаря успешным техническим разработкам удалось значительно рас$ ширить область применения данного метода, в том числе и в отношении более легких элементов (ограничения остаются пока на уровне бора), создав возможно$ сти для проведения даже микро$ и следовых определений. Кроме того, с привле$ чением математических способов коррекции удается в достаточной мере компен$ сировать – чрезвычайно сильные именно при рентгеновской эмиссии – взаим$ ные влияния элементов на интенсивность характеристических рентгеновских лу$ чей. Необходимые для этой цели средства обработки данных были заметно усовершенствованы в последние годы параллельно с возможностью улучшения управления спектрометрами [14.1]. Микропроцессорная техника внесла неоценимый вклад в дело внедрения спек$ троскопии рентгеновской флуоресценции в разные отрасли промышленного про$ изводства. Конечно, электроника в некотором роде маскирует фактические про$ цессы, связанные с измерением. Все операции по измерению, пересчету, считы$ ванию диаграмм и статистическому анализу выполняются сегодня простым на$ жатием клавиш. Повышенный уровень автоматизации и удобные в пользовании программные средства позволили поставить рассматриваемый метод в один ряд с широко известными и давно практикуемыми стандартными приемами. Ясно, что при этом было несколько утрачено понимание принципа действия рентгеновской флуоресценции – так сказать, на чувственном уровне. Тем важнее представляется необходимость подробного описания этого метода и уточнения относящейся к нему терминологии. Из всей сферы рентгеноспектральных анализов следует особо выделить рентге$ новскую спектрометрию с полным внутренним отражением, обладающую чрезвы$ чайно высокой способностью к абсолютному обнаружению. Возбуждение осуще$ ствляется здесь посредством первичного луча с полным отражением на пробе. Аб$ солютная обнаружительная способность достигается уровня пикограмм (пГ), так как в условиях полного отражения возбуждающее излучение не проникает в держа$ тель пробы, значит, фон в спектре – при отсутствии рассеянного излучения – оста$ ется предельно низким. Благодаря многократному отражению удается еще более усилить чувствительность метода.

14.1. Понятие рентгеновской флуоресценции Под флуоресценцией понимают наблюдаемое у твердых тех, жидкостей и газов явление, при котором падающее электромагнитное излучение (например, свет или рентгеновский луч) частично поглощается и затем вновь испускается в виде излу$ чения равной или большей длины волны. В отличие от фосфоресценции, при флуоресценции вторичное испускание света затухает практически одновременно с прекращением первичного излучения.

14.2. Теоретические основы метода

433

В случае рентгеновской флуоресценции речь идет о возбуждении эмиссион$ ных линий в области рентгеновского спектра, причем возбуждение осуществля$ ется также посредством рентгеновских лучей. При облучении пробы мягким рен$ тгеновским излучением характеристические для каждого атома длины волн в зоне рентгеновского излучения исходят в виде флуоресцентного свечения. Этот эф$ фект издавна используют для проведения количественных анализов при изуче$ нии химического состава поверхности металлов, горных пород и т.п. При этом никакого разрушения исследуемой поверхности не происходит. В последнее время описанное явление стало широко применяться при измерении толщины слоев.

14.2. Теоретические основы метода В одном только 1896 г. было опубликовано свыше 1000 научных работ на тему рентгеновских лучей. Интересно, что при этом никто точно не знал, что же они собой, собственно, представляют. Рентген лишь сообщал, что такие лучи возни$ кают, когда электроны в вакуумной трубке сталкиваются с неким препятствием. И лишь в 1912 г. стало ясно, что речь идет об электромагнитных волнах. Итак, рентгеновское излучение есть электромагнитное излучение с длинами волн в на$ нометровом интервале и энергией кванта в области кэВ$единиц, где для пересче$ та берем: 1,24 кэВ = 1 нм. Таким образом, энергия рентгеновского излучения при$ мерно в 5000 раз превышает энергию видимого света. Генерируется рентгеновское излучение, как и видимый свет, в электронной оболочке атома, но поступает оно из крайней внутренней зоны электронных орбиталей. Проба, испускающая рент$ геновское излучение, предварительно возбуждается электронами, рентгеновски$ ми или гамма$лучами. При этом для интенсивности эмиссии решающее значе$ ние имеют вероятность возбуждения элементов и поглощающая способность про$ бы. Рентгеновский спектр, возбужденный электронами соответствующей кине$ тической энергии, состоит из: • непрерывного спектра тормозного излучения, возникающего в результате торможения возбуждающих электронов в пробе, и • линейчатого спектра, характеристического для элементов пробы. Но возбуждение электронами возможно только в высоком вакууме. Посколь$ ку для получения высокого вакуума требуется достаточно дорогое оборудование, такой способ возбуждения используется сегодня почти исключительно только в растровых электронных микроскопах (микрозондах) [14.2]. Гораздо менее затратным оказался метод возбуждения высокоэнергетически$ ми фотонами, то есть теми же рентгеновскими лучами, но с более короткой дли$ ной волны, либо гамма$лучами соответствующей энергии. Именно на основании этого поглощаемого коротковолнового, высокоэнергетического электромагнит$ ного излучения данный метод получил название рентгеновской флуоресценции. Следовательно, на практике имеет место возбуждение, которое приводит к ха$ рактеристической для данной пробы рентгеновской эмиссии, что достигается посредством излучения рентгеновской трубки либо гамма$излучения радионук$ лида.

434

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

Первичное рентгеновское излучение

Излучение рентгеновской флуоресценции

Рис. 14.1. Оболочечная модель атома и возникновение рентгеновской флуоресценции

В соответствии с оболочечной моделью (рис. 14.1), электроны кружат вокруг ядра атома по определенным траекториям. Ближайшую к атомному ядру оболочку называют К$оболочка, прочие же, более удаленные, именуются L$, M$, N$оболоч$ ками и т.д. Для удаления электрона из атома придется потратить определенную энергию. Эта энергия, а именно энергия ионизации, тем больше, чем ближе на$ ходится электрон к ядру атома, то есть тем больший энергетический вклад по$ требуется для извлечения электрона из оболочки. При этом имеем: 2π 2 me e 04 (Ζ − σ ) h2

2

∆E =

⎛ 1 1 ⎞ ⎜ 2 − 2 ⎟ = hν , ⎜n ⎟ n 2 ⎠ ⎝ 1

где me – масса покоя электрона, e0 – элементарный заряд, σ – константа экрани$ рования, Z – порядковый номер элемента, n1, n2 – главные квантовые числа. Поскольку каждый отдельный атом имеет характеристическую для него схему энергетических уровней, то и разности энергий между отдельными оболочками будут абсолютно характеристическими для разных сортов атомов. Характеристический рентгеновский спектр имеет меньше линий, чем оптические спектры. Это объяс$ няется ограниченным числом энергетических уровней, участвующих в генерации рентгеновских лучей. УФ$спектры, у которых электроны поднимаются на внешние, частично либо полностью пустые, орбитали, по причине большего числа возмож$ ных электронных переходов значительно сложнее рентгеновских спектров. К тому же рентгеновские спектры в большинстве случаев никак не зависят от вида хими$ ческой связи. Их зависимость от номера элемента открыл английский физик Мо$ зель, и в его честь соответствующий закон был назван законом Мозеля. Все переходы, заканчивающиеся на определенной оболочке, по аналогии с оптическими спектрами объединяются в серию. В соответствии с этим К$серия включает в себя все рентгеновские переходы, конечным уровнем которых являет$ ся К$оболочка (рис. 14.2). Следует различать Кα$излучение, которое возникает, когда электрон перехо$ дит из L$оболочки в К$оболочку, и Кβ$излучение, возникающие при переходе элек$ трона из М$оболочки в К$оболочку. Если причиной характеристического излуче$ ния рентгеновской флуоресценции является переход электронов атома на свобод$ ное место в L$оболочке, то такое излучение обозначают как L$излучение. В соот$

14.2. Теоретические основы метода

435

Энергия Nоболочка Моболочка Lоболочка

Коболочка Отсутствующий электрон

Рис. 14.2. Схема энергетических уровней и возникновение рентгеновского К$ и L$из$ лучения

ветствии с приведенной выше классификацией здесь выделяют также Lα$излуче$ ние, которое возникает, если электрон до этого находился в М$оболочке, и Lβ$из$ лучение, если электрон прежде был в N$оболочке. Процесс перераспределения электронов в атоме может продолжаться до тех пор, пока атом вновь не вернется в основное состояние, то есть обмен последнего электрона происходит из самых крайних внешних оболочек атома, где изменения в электронной конфигурации квазинепрерывны.

14.2.1. Ожеэффект Чтобы вернуть атом в невозбужденное, или основное, состояние, имеется, помимо рентгеновской флуоресценции, еще второй вариант, связанный с безызлучатель$ ным переходом. Этот процесс известен под названием эффекта Оже. Первое воз$ бужденное состояние вызывается здесь дыркой в К$оболочке, после чего идет про$ цесс релаксации, обусловленный переходом электрона L$оболочки на это пустое место в К$оболочке. При таком переходе генерируется Кα$излучение, которое, од$ нако, не покидает атом, а, в свою очередь, выбивает М$электрон (рис. 14.3). Таким образом, при Оже$эффекте энергия передается третьему электрону, у которого те$ Энергия

Nоболочка Моболочка Lоболочка Возбуждение рентгеновского излучения

Коболочка

Рис. 14.3. Рентгеновская флуоресценция (А) и Оже$эффект (В)

436

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

перь хватает энергии чтобы преодолеть барьер внутриатомной связи, – это и есть так называемый Оже$электрон. Следовательно, сначала создается высокоэнерге$ тический квант рентгеновского излучения в результате внутреннего перехода элек$ трона, который в процессе внутреннего фотоэффекта выбрасывает электрон внеш$ ней оболочки с соответствующей кинетической энергией.

14.2.2. Квантовый выход флуоресценции Когда же происходит эмиссия кванта рентгеновского излучения и когда «ката$ пультируется» Оже$электрон? Эти процессы регулируются законами квантовой механики, на основе которых вычисляются вероятности возбуждения. Фактичес$ ки оба явления происходят одновременно, и от типа используемого спектрометра и системы детектирования зависит, какой из сигналов используется для получе$ ния информации. Итак, у элементов с высокими порядковыми числами преобладает рентгеновское излучение, а в случае более легких элементов детектируется Оже"электрон. Интенсивность рентгенофлуоресцентного излучения и, следовательно, чув$ ствительность обнаружения и точность определения зависят от вида возбуж$ даемого элемента, а также от энергии и интенсивности возбуждающего излу$ чения. В целом, из n совершенных электронных переходов лишь доля nf/n при$ водят к эмиссии кванта рентгеновского излучения и это есть так называемый выход флуоресценции. Таким образом, выход флуоресценции есть число nf рентгеновских фотонов, излу" ченных определенной серией в единицу времени, деленное на совокупность n дырок, образовавшихся в единицу времени на соответствующем уровне. Кванты рентгеновского излучения, освободившиеся в результате оставшихся (n – nf) электронных переходов, пребывают в атоме и приводят к испусканию Оже$ электронов. Как для К$, так и для L$серии выход флуоресценции заметно снижа$ Выход флуоресценции

Кизлучение Lизлучение

Порядковый номер элемента

Рис. 14.4. Выход флуоресценции в зависимости от порядкового номера элемента

14.3. Характеристические спектральные линии

437

ется с уменьшением порядкового номера элемента (рис. 14.4.). Поэтому анализ более легких элементов на основе рентгеновской флуоресценции требует особен$ но благоприятных условий возбуждения.

14.3. Характеристические спектральные линии Пошаговый возврат в основное состояние происходит согласно простым правилам отбора, с помощью которых можно объяснить основную часть наблюдаемого ха$ рактеристического излучения. Итак, следует различать три категории переходов: • нормальные переходы, соответствующие простым правилам отбора, • запрещенные переходы, не соответствующие правилам отбора, • линии$сателлиты, вызванные многократно ионизированными атомами или переходами в молекулярных орбиталях. В отношении нормальных переходов действуют следующие правила отбора: ∆n ≥ 1 n главное квантовое число; ∆l = ±1 l орбитальное квантовое число; ∆j = ±1 или 0 j спиновое квантовое число. Таким образом, переходы с s$орбитали на s$орбиталь (∆l = 0) или, соответ$ ственно, c d$орбитали на s$орбиталь (∆l = 2) – запрещены. Самой распространенной причиной появления линий$сателлитов являются переходы, происходящие при двукратной ионизации атома. Возможное излучение как следствие электронного перехода в однократно ионизированном атоме отли$ чается от излучения, при котором атом находится в состоянии двукратной иониза$ ции. Это очевидно, поскольку вторая дырка приводит к возмущению уровня пер$ вой, и в обычной ситуации приводит к повышению энергии связи электронов. По этой причине длины волн излучения, испускаемого атомами с двукратной ионизацией, сравнительно короче. Двукратная ионизация может быть реализова$ на разными способами, причем доминирующим процессом является эффект Оже. Различные виды разрешенных переходов лучше всего продемонстрировать с помощью диаграмм переходов и соответствующих эмиссионных линий. Ниже будет рассмотрено два наиболее типичных примера.

14.3.1. Кспектр олова К$спектры появляются при заполнении электронами дырок в К$оболочке и, как правило, построены достаточно просто. При выбивании К$электрона из олова можно наблюдать семь линий (рис. 14.5). Согласно правилам отбора, должно быть только шесть линий, три дублета соответственно переходам с 4р$, 3р$ и 2р$уров$ ней. Эти линии фактически и появляются, правда, при этом в эмиссионной диаг$ рамме можно распознать только α1 и α2 в виде дублета. Имеется два запрещенных перехода, а именно 3d > 1s и 4d > 1s. Они считаются запрещенными в силу того, что для них обоих разница в орбитальном квантовом числе принимает значение 2, что противоречит правилам отбора. Как все запре$ щенные линии, эти линии очень слабы и едва ли могут быть распознаны в наблю$ даемом спектре.

438

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

Рис. 14.5. Эмиссионный К$спектр олова

14.3.2. Lспектр золота L$спектры всегда возникают как результат электронных переходов, заполняю$ щих дырки L$уровня. В отличие от одного$единственного К$уровня, существу$ ет целых три L$уровня, так что число разрешенных L$переходов в соответствии с правилами отбора значительно больше. В связи с этим L$спектры сложнее по своей структуре, и в случае элементов с высоким порядковым номером удается наблюдать от 20 до 30 нормальных линий. На рис. 14.6 представлен L$спектр золота.

Рис. 14.6. Эмиссионный L$спектр золота

14.4. Закон Мозли

439

14.4. Закон Мозли Мозли измерил эмиссионные спектры для ряда элементов и вывел в 1913 г. на$ званный его именем закон, согласно которому существует прямая связь между энергией Е или, соответственно, длиной волны λ линии одной спектральной се$ рии и порядковым номером или зарядовым числом Z излучающего атома. ∆E = р (Z – σ)2 = hν. Итак, длина волны линии рентгеновского спектра обратно пропорциональна квад" рату зарядового числа атома соответствующего элемента. Константа экранирования σ описывает экранирующее действие электронной оболочки относительно ядра. С увеличением порядкового номера возрастает и σ; (Z – σ) обозначается как эффективное зарядовое число. В отличие от оптической атомной спектрометрии, при такой зависимости существует закономерная возмож$ ность прогнозирования положения линий в рентгеновском спектре (рис. 14.7). Если мы в состоянии определить величины энергии и, соответственно, длины волн излу$ ченного пробой характеристического спектра, то на этом основании можем сделать вывод о содержащихся в пробах элементах (качественный анализ). Это и есть основа рентгеноспектрального анализа, причем данное условие – за некоторым исключе$ нием для элементов с низким порядковым номером – не зависит от состояния связи. Поскольку интенсивность рентгеновской эмиссии пробы при определенной длине волны или, соответственно, при определенной энергии зависит от числа одновременно возбужденных атомов, то измерение интенсивности после соот$ ветствующей калибровки можно использовать в целях количественного анализа. При этом рентгеновское К$излучение обладает гораздо большей энергией, чем рентгеновское L$излучение. Энергия характеристического рентгеновского излучения, кэВ

Кизлучение Область измерения детектора Lизлучение

Порядковый номер элемента

Рис. 14.7. Закон Мозли

440

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

14.5. Возбуждение Рентгенофлуоресцентное излучение возможно только при условии, что атомы ис$ следуемого материала предварительно ионизируются. В принципе любая высо$ коэнергетическая частица может использоваться для возбуждения характеристи$ ческого излучения. Если энергия, необходимая для генерации кванта рентгено$ вского излучения hν, передается в результате столкновения электронов, то можно говорить о рентгеновской эмиссии, в то время как при возбуждении посредством высокоэнергетического первичного рентгеновского излучения имеет место рент$ геновская флуоресценция. Возбуждение электронами соответствующей кинети$ ческой энергии возможно только в высоком вакууме. Если пробы предстоит ис$ следовать таким способом, то их придется поместить сначала в высокий вакуум. В аппаратурном отношении это весьма сложный и затратный метод, применяе$ мый практически лишь в растровых электронных микроскопах. Много проще возбуждение пробы излучением из рентгеновской трубки либо γ$излучением радионуклидов. Большинство предлагаемых фирмами рентгено$ спектрометров оснащено источником первичного рентгеновского излучения, со$ стоящего из закрытой рентгеновской трубки со стабилизированным генератором высокого напряжения. Таким образом, материя ионизируется посредством рент$ геновских лучей, причем энергия такого излучения выше энергии испускаемого затем характеристического излучения. Впрочем, для целей возбуждения можно использовать также электроны, протоны, ионы и гамма$лучи.

14.5.1. Генерация рентгеновских лучей Электронная рентгеновская трубка, описанная впервые еще в 1913 г. и затем от$ лично зарекомендовавшая себя в качестве источника рентгеновского излучения при проведении простых рентгеноспектральных анализов, питается от стабили$ зированного высоковольтного генератора мощностью 2–5 кВт при напряжении до 100 кВ. Вольфрамовым накаливаемым катодом испускаются электроны, кото$ рые при подаче отрицательного высокого напряжения ускоряются в электричес$ ком поле. Для достижения достаточно большой длины свободного пробега элек$ тронов рентгеновская трубка находится в разреженном состоянии. При столкно$ вении электронов с анодом кинетическая энергия электронов в результате взаи$ модействия с атомами материала анода преобразуется в рентгеновское излучение (рис 14.8). При этом в рентгеновских трубках возможна генерация только поли$ хромного излучения. Возникшее рентгеновское излучение складывается из линей$ чатого спектра материала анода и непрерывного спектра тормозного излучения.

14.5.1.1. Тормозное рентгеновское излучение При встрече пучка электронов с анодом лишь часть бомбардирующих электронов вызывает характеристическое излучение. Так называемые первичные электроны проникают в анод и затормаживаются в результате взаимодействия с бомбардируе$ мыми атомами. Если затормаживание первичных электронов осуществляется под действием электрических полей атомов (кулоновских полей), то кинетическая энер$

14.5. Возбуждение Цилиндр Венельта

Электронные лучи

441

Охлаждающая вода Анод

Свинцовый экран

Катодная нить накала

Рентгеновское излучение Окно из бериллия

Рис. 14.8. Схема рентгеновской трубки с боковым окном

гия электронов частично либо полностью преобразуется в электромагнитное излу$ чение. И тогда возникает так называемое тормозное рентгеновское излучение. Так как уменьшение кинетической энергии при таком процессе не имеет ограничений, но может принимать значения от нуля до максимума, тормозное рентгеновское излучение дает непрерывный спектр тормозного излучения.

14.5.1.2. Характеристическое излучение При проникновении в анод первичные электроны затормаживаются не только посредством кулоновских полей атомов, но и за счет прямых столкновений с элек$ тронами оболочки бомбардируемых атомов. Как результат подобных столкнови$ тельных процессов возможна ионизация первичными электронами внутренних Интенсивность излучения

Длина волны, 10–10 м

Рис. 14.9. Спектр технической рентгеновской трубки

442

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

электронных оболочек бомбардируемых атомов. Образовавшаяся дырка запол$ няется за счет переходов электронов из вышележащих энергетических уровней, и тогда происходит рентгеновская флуоресценция материала анода. Наряду с ха$ рактеристическим излучением (Кα1, Кα2 и Кβ) на рис. 14.9 показаны заштрихо$ ванные участки компонентов излучения в виде непрерывного спектра (тормоз$ ного излучения).

14.5.1.3. Выбор материала для анода Для возбуждения рентгеновской флуоресценции можно при использовании рен$ тгеновской трубки выбирать как тормозное излучение, так и собственное излуче$ ние анодного материла. Для достижения высокой интенсивности и, следователь$ но, сокращения периода регистрации рекомендуются рентгеновские трубки с высокой термостойкостью анода. Более 99% кинетической энергии, которой обладают испускаемые катодом элек" троны, преобразуется в аноде в тепловую энергию, и лишь менее 1% может использо" ваться в качестве рентгеновского излучения. Поэтому рентгеновские трубки мощностью выше 200 Вт необходимо обяза$ тельно охлаждать водой. При работе с трубками меньшей мощности от такого охлаждения можно отказаться. Предлагаются трубки с анодами из вольфрама, молибдена, хрома, железа, иногда из меди. При этом флуоресцентное излучение будет тем интенсивнее, чем ближе возбуждающее излучение на коротковолновой стороне к границе поглощения возбуждаемого элемента. Итак, самое интенсивное собственное излучение будет у анода из материала, чей порядковый номер на 2 единицы больше порядкового номер возбуждаемого эле" мента. Этим правилом следует руководствоваться при выборе рентгеновской трубки для особо чувствительных измерений. На практике же обычно требуется опреде$ ление сразу нескольких элементов в одной пробе, так что при выборе анода при$ ходится искать некое компромиссное решение. Для анализа смеси элементов ис$ пользуют в большинстве случаев интенсивный спектр тормозного излучения воль$ фрама или молибдена.

14.6. Поглощение рентгеновских лучей Когда рентгеновское излучение попадает на абсорбер, то наряду с собственно рен$ тгеновской флуоресценцией протекает еще много других процессов (рис. 14.10). Рентгеновские лучи при прохождении через материю поглощаются и рассеива$ ются. В показанном примере рентгеновский луч с длиной волны λ и интенсивно$ стью I0 попадает на поглощающий материал i толщиной хi и плотностью ρi. Каж$ дый отдельный падающий рентгеновский фотон может проходить через один из трех описанных ниже процессов.

14.6. Поглощение рентгеновских лучей

443

Фото электрический эффект Другие фотоны

Не ко ге ре нт но е

ное ент р е Ког

Рассеяние

Рис. 14.10. Взаимодействие рентгеновского излучения с материей ÔÎÒÎÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÉ ÝÔÔÅÊÒ

При этом явлении речь идет о выбивании электронов в результате взаимодействия фотонов. Фотоэлектрическое поглощение происходит на любом энергетическом уровне атома. ÐÀÑÑÅßÍÈÅ

Рассеяние может возникнуть при взаимодействии между рентгеновским фото$ ном и электроном материала абсорбера. Если при этом имеет место упругое стол$ кновение, то есть если при столкновении нет потери энергии, то говорят о коге$ рентном, или рэлеевском, рассеянии. Такой процесс не связан с изменением энер$ гии, поэтому длина волны рассеянного излучения равна длине волны падающего излучения. Но может так случиться, что рентгеновский фотон при столкновении потеряет часть своей энергии, особенно если электрон слабо связан, и тогда это будет некогерентное рассеяние. В результате обусловленной этим обстоятельством потери энергии длина волны при так называемом эффекте Комптона превышает таковую у первичного излучения. ÀÁÑÎÐÁÖÈß

Часть излучения проходит сквозь абсорбер. Длина волны проходящего излучения не претерпевает при этом никаких изменений. Для такого процесса поглощения действительны в основном те же закономерности, что и для поглощения света, то есть в отношении интенсивности проходящего луча будет справедливо: I = I0 exp (–µрx), где µ есть весовой коэффициент поглощения абсорбера для определенной длины волны, зависимый от фотоэлектрического поглощения и рассеяния. На рис. 14.11 для вольфрама показана зависимость весового коэффициента по$ глощения от длины волны. Весовой коэффициент поглощения монотонно повы$ шается с увеличением длины волны, причем это повышение протекает пропорци$ онально третьей степенью длины волны и четвертой степенью порядкового номера абсорбера. На приведенной характеристической кривой отмечено несколько мест перехода, так называемых границ поглощения, обозначаемых через К, L1, L2, L3 и т.д.

444

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ Весовой коэффициент поглощения

Длина волны

Рис. 14.11. Изменение весового коэффициента поглощения в зависимости от дли$ ны волны

Границы, или края (полосы), поглощения соответствуют энергии связи элек$ тронов на определенных уровнях. Если поглощенная длина волны меньше длины волны этой границы, электрон соответствующего уровня может отделяться. Если длина волны достигает величины, превышающей границу поглощения, то фото$ электрическое поглощение уже не возможно, и общий коэффициент поглоще$ ния соответствующим образом уменьшается. Значения весовых коэффициентов поглощения известны для большей части рентгеновского излучения и представ$ лены в наглядной табличной форме.

14.6.1. Возбуждение характеристического излучения На рис. 14.12 показана геометрия лучей, какая обычно имеет место в рентгеноспек$ трометре. С целью упрощения отношений, в графическом изображении выбрана только одна длина волны λ, хотя падающее первичное излучение является поли$ хромным. Первичное излучение обладает интенсивностью IФλ. Часть ее проникает в пробу на глубину до dp, проходит при этом путь хр и имеет затем интенсивность I. Величина хр определяется весовым коэффициентом поглощения пробы. При условии, что энергия падающих рентгеновских фотонов больше потен$ циала возбуждения пробы, происходит возбуждение характеристических линий. На приведенном рисунке показана только одна из этих линий. Исходная интен$ сивность для вторичного излучения IФλi. Предполагается на глубине ds пробы, и

Рис. 14.12. Действие первичного луча в пробе

14.6. Поглощение рентгеновских лучей

445

измеряемая интенсивность вторичного излучения Iλi опять$таки зависит от весо$ вого коэффициента поглощения пробы.

14.6.2. Первичная и вторичная абсорбция Из предыдущего раздела следует, что интенсивность вторичного излучения зави$ сит от поглощения первичного излучения в пробе и от ослабления вторично воз$ бужденного излучения. Рисунок 14.13 приводит общую схему процесса возбужде$ ния, где в определенном элементе длина волны λ возбуждается непрерывным из$ лучением из источника – рентгеновской трубки. Эффективная зона такого излу$ чения находится между коротковолновым концом непрерывного спектра λмин и краем полосы поглощения λк возбужденного элемента (рис. 14.13). Как правило, самым эффективным для возбуждения излучением является бли" жайшее к границе поглощения. Коротковолновое первичное излучение достаточно глубоко проникает в про$ бу, поскольку оно обычно меньше поглощается матрицей пробы, чем возбужден$ ное флуоресценцией низкоэнергетическое излучение. Первичное излучение ко$ ротковолновой зоны непрерывного спектра, возможно, и вызывает возбуждение, но характеристическое излучение при этом возникает в пробе на глубине, из ко$ торой ему уже не пробиться. Это означает, что длины волн, ближе всех располага$ ющиеся к границе поглощения на коротковолновой стороне, лучше прочих под$ ходят для возбуждения. Интенсивность излучения зависит от поглощения при выходе из материала пробы. Этот эффект называется вторичной абсорбцией. Еще одним влияющим фактором является поглощение в пробе возбужденного излучения с непрерыв$ ным спектром, так называемая первичная абсорбция. Поскольку в случае воз$ буждения характеристического излучения речь идет о монохромной линии, то при изменении характеристики поглощения пробы она гораздо чувствительнее поли$ хромного непрерывного спектра. Поэтому вторичная абсорбция в любом случае многократно превышает первичную абсорбцию. Если в пробе содержится несколько элементов, то интенсивность флуорес$ ценции анализируемого элемента определяется видом и количеством сопутству$ Граница поглощения

Длина волны

Рис. 14.13. Возникновение вторичного излучения в пробе

446

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

ющих элементов или примесей. Первичное излучение поглощается также и мат$ рицей, в связи с чем интенсивность флуоресценции анализируемого элемента падает. Исходящее от анализируемого элемента флуоресцентное излучение также частично поглощается матрицей. Флуоресценция, испускаемая примесями, воз$ буждает анализируемый элемент для дальнейшего флуоресцентного излучения. В силу этих межэлементных явлений уже не соблюдается пропорциональность меж$ ду интенсивностью флуоресценции и числом частиц. Однако, в отличие от опти$ ческой спектрометрии, в простых случаях интенсивность флуоресценции элемента при заданном составе пробы можно корректировать при обработке спектров.

14.7. Рентгеновская трубка Первичное излучение рентгеновской трубки возбуждает элементы в пробе для флуоресценции. Трубки в большинстве случаев имеют окно для выхода излуче$ ния сбоку, поэтому их так и называют – рентгеновские трубки с боковым окном. Но имеются также рентгеновские трубки с торцевым окном, естественно, с вы$ ходным окном на торцевой поверхности. В качестве материала для окон выбира$ ется исключительно бериллий толщиной 0,3 мм. Трубки с торцевым окном ис$ пользуются все чаще, поскольку при таком исполнении, в отличие от трубок с боковым окном, катод находится при потенциале земли, а анод соответственно при положительном потенциале. За счет этого достигается меньшее обратное рас$ сеяние электронов катодных лучей, что уменьшает нагрузку на материал окна, и, значит, окна могут быть значительно тоньше – толщиной всего 0,125 мм. Прежде чем генерируемые в трубке лучи начнут взаимодействовать с пробой, они еще должны проникнуть через это окно. При этом потери будут тем меньше, чем легче и тоньше будет материал окна. Именно по этой причине их почти все$ гда изготовляют из бериллия. Однако уменьшение толщины окна, что особенно важно в случае возбуждения легких элементов, имеет свои пределы, так как отра$ женные анодом электроны нагружают материал окна. Но поскольку это обратное рассеяние электронов уменьшается с понижением порядкового номера материа$ ла анода, в настоящее время для определения легких элементов применяют труб$ ки из скандия (с порядковым номером 21) вместо ранее популярных хромовых трубок (с порядковым номером 24). Так как чувствительность обнаружения в немалой степени обусловливается фоновым излучением, а оно состоит прежде всего из рассеянного пробой излуче$ ния трубки, то это влияние удается заметно ослабить с помощью фильтров пер$ вичного излучения. Итак, для возбуждения рентгеновской флуоресценции требуется только рент" геновское излучение, энергия которого больше таковой на границе поглощения опре" деляемого элемента. Однако необходимое для анализа характеристическое излучение элемента находится в интервале более длинных волн, чем граница поглощения, так что рас$ сеянное излучение этого диапазона длин волн может быть значительно пониже$

14.8. Рентгеновские спектрометры

447

но фильтром первичного излучения. Но тогда при отборе придется учитывать все подлежащие определению элементы пробы. При возбуждении с помощью рентгеновской трубки одинаково важны как тормозное излучение, так и собственное излучение материала анода. С одной сто$ роны, следовало бы стремиться к как можно более высокой интенсивности рент$ геновской флуоресценции, так как при этом можно было бы достигнуть большей чувствительности и, следовательно, низких пределов обнаружения. С другой сто$ роны, интенсивность возбужденной флуоресценции тем выше, чем в большей степени возбуждающее излучение на коротковолновой, богатой энергией сторо$ не приближается к соответствующей границе поглощения. Но поскольку почти всегда анализируются пробы с большим количеством элементов, здесь приходит$ ся идти на определенный компромисс. Самым универсальным вариантом пред$ ставляется анод из родия, для легких элементов предлагается рентгеновская трубка из скандия, а для тяжелых элементах чаще всего используется вольфрамовый анод. Для специального применения можно попробовать также двуханодные рент$ геновские трубки, состоящие, например, из тонкого слоя хрома, нанесенного на золотой анод. В этом случае при работе с небольшим напряжением электроны проникают только в хромовый слой, и тогда получается эффект действия хромо$ вой трубки, которая очень удобна для возбуждения флуоресценции легких эле$ ментов. При более высоких напряжениях ускорения электронов в трубке она дей$ ствует уже как золотая трубка, рекомендуемая для возбуждения достаточно тяже$ лых элементов.

14.7.1. Возбуждение посредством радионуклидов Подходящими радиоактивными изотопами для возбуждения рентгеновской флу$ оресценции считаются 55Fe, 109Cd, 241Am и 244Cm. При использовании таких источ$ ников возбуждения приходится дополнительно учитывать период полураспада радионуклидов, так как при малом периоде нередко требуется дополнительная калибровка или даже замена источника. Если рентгеновские трубки возбуждают все элементы пробы, кроме таковых с очень низким порядковым номером, то с помощью радионуклидов могут возбуж$ даться только совершенно определенные группы элементов. Поэтому соответству$ ющие приборы приходится оснащать сразу несколькими источниками. В данном случае речь обычно идет о портативных устройствах особого назначения, осна$ щенных специальными системами детектирования с дисперсией по энергии.

14.8. Рентгеновские спектрометры Так как при качественном анализе характеристической является длина волны эмиссионного излучения, а при количественном анализе измеряется интенсив$ ность в зависимости от длины волны, то перед измерением интенсивности излу$ чение надо разложить на отдельные длины волн. Дисперсия рентгеновского из$ лучения в отдельные длины волн возможна с помощью дифракционных кристал$ лов, причем излучение дифрагируется на плоскостях кристаллической решетки.

448

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

Рентгеновская трубка

Рентгеновский Рентгеновский детектор детектор с селекцией по энергии

Дифракционный кристалл

Материал пробы

Материал пробы

Рис. 14.14. Рентгеновская флуоресценция с дисперсией по энергии (слева) и с дис$ персией по длине волны (справа)

Энергию излучения можно измерять с помощью полупроводниковых детекторов, импульс напряжения которых прямо пропорционален соответствующей энергии излучения. Итак, с точки зрения приборной техники различают следующие виды анализа на основе рентгеновской флуоресценции: • с дисперсией по длине волны и • с дисперсией по энергии. Для записи рентгеновского спектра проб с дисперсией по длине волны от$ дельные длины волн сканируются последовательно друг за другом при непрерыв$ ном вращении дифракционного кристалла и детектора в гониометре, после чего осуществляется регистрация спектра, например с помощью линейного самопис$ ца. При рентгенофлуоресцентном анализе с дисперсией по энергии все энергети$ ческие зоны регистрируются одновременно, после чего спектр (интенсивность в зависимости от энергии) непрерывно отображается, например на экране дисплея присоединенной системы обработки данных, с последующим выводом на печать (рис. 14.14). Для количественного анализа пробы спектрометр может последовательно из$ мерять интенсивности отдельных характеристических линий. В приборах с дис$ персией по длине волны, оснащенных несколькими дифракционными кристал$ лами и детекторами, это осуществляется всегда одновременно, как и в случае при$ боров с дисперсией по энергии. Поэтому, с учетом того или иного принципа дей$ ствия, различают: • приборы последовательного действия и • многоканальные приборы одновременного действия.

14.8.1. Метод с дисперсией по длине волны В этом методе флуоресцентное излучение материала пробы подвергается спект$ ральному разложению с помощью крупного монокристалла согласно условиям брэгговской дифракции. Здесь устанавливается, какие специфичные для элемен$ тов длины волн содержатся во флуоресцентном свечении и какой интенсивнос$ тью они обладают. Спектральное разложение достигается в результате дифрак$

14.8. Рентгеновские спектрометры

449

ции на кристаллах, отражающих на каждой плоскости кристаллической решетки. Из этих отраженных лучей путем интерференции усиливаются те, для которых выполнено отношение Брэгга: nλ = 2d sin Ф. Все прочие лучи, наоборот, посредством интерференции элиминируются. В при$ веденном отношении d есть межплоскостное расстояние в дифракционном крис$ талле, Ф – угол падения излучения на кристаллическую плоскость, n – натуральное число, показывающее порядок дифракции. Поскольку известно, под каким углом определенная длина волны дифрагиру$ ется на монокристалле, то достаточно измерить углы и отнести затем к каждому из них соответствующие длины волн. Так как теперь синус может принимать мак$ симальное значение 1, от кристалла тоже может излучаться длина волны макси$ мум 2d/n, то есть для каждого кристалла существует предельная анализируемая длина волны, равная двойному интервалу между плоскостями кристалла. Так как угловое разрешение понижается с уменьшением угла дифракции, то с точки зрения пригодности кристаллов имеется некий нижний предел длин волн, составляющий около 15% межплоскостного расстояния для дифракции в первом порядке. Таким образом, для каждого отдельного кристалла существует определенный интервал длин волн, в котором этот кристалл может использоваться. Для полного анализа – от бериллия до урана – потребуется от 8 до 10 разных кристаллов. В рентгеноспектрометрии существует достаточно большой выбор разных кри$ сталлов, так что для определенного интервала длин волн можно выбрать опти$ мальный вариант. Применительно к каждому монокристаллу имеется своя таб$ лица с указанием углов дифракции для соответствующих длин волн. При измере$ нии интенсивности излучения той или иной длины волны счетчик устанавлива$ ется в соответствующем угловом положении относительно монокристалла, и через определенный промежуток времени измеряется число квантов падающего рент$ геновского излучения. Частота повторения импульсов соответствует интенсив$ ности излучения и пропорциональна концентрации измеряемого элемента в пробе. Рентгенофлуоресцентные спектрометры с дисперсией по длине волны функ$ ционируют последовательно, так как при измерении один элемент следует за дру$ гим. В многоканальных спектрометрах одновременного действия встроены пол$ ностью автоматические гониометры, регистрирующие весь набор элементов, из$ меряемых посредством рентгеновской флуоресценции. Спектр измеряемых эле$ ментов у приборов такого типа в силу аппаратурных причин значительно больше, чем это бывает при одновременном измерении с дисперсией по энергии. Кроме того, в случае методики последовательного действия создается возможность гиб$ кого реагирования на самые разные составы пробы. Это касается, например, из$ мерения фоновых сигналов и коррекции перекрытий линий [14.3]. В отличие от рентгенофлуоресцентного анализа с дисперсией по энергии, до$ статочно дорогостоящая техника для анализа с дисперсией по длине волны рабо$ тает с оптикой высокого разрешения и, благодаря своим конструктивным осо$ бенностям, имеет лучшие пределы обнаружения для легких элементов. Как пра$

450

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

вило, здесь находят применение рентгеновские трубки мощностью 3 кВт, так что такие устройства нуждаются в водяном охлаждении. Разработанные не так давно трубки с керамическим выходным окном расходуют всего 200 Вт [14.4]. Благодаря долговременной стабильности этих приборов они вполне пригодны даже для про$ ведения следовых анализов. Это относится также к неметаллическим элементам, таким как галогены, фосфор и сера, не всегда поддающимся регистрации путем оптической атомной спектрометрии [14.5].

14.8.2. Метод с дисперсией по энергии При рентгеновской флуоресценции с дисперсией по энергии флуоресцентное из$ лучение анализируется с помощью других физических методов. При этом исполь$ зуется тот факт, что длины волн строго соотносятся с энергией рентгеновских кван$ тов. При анализе флуоресценции по данному принципу прибегают к подходяще$ му физическому или электронному фильтрованию с той целью, чтобы оценке подлежали только рентгеновские кванты одинаковой энергии. Для этого исполь$ зуют полупроводниковые детекторы или пропорциональные счетчики, которые при облучении выдают токовые импульсы, мощность которых пропорциональна энергии образующихся квантов рентгеновского излучения. Каждый отдельный рентгеновский квант детектируется в полупроводнико$ вом кристалле, включенном в режиме диода. Благодаря преобразованной энер$ гии при поглощении создаются пары носителей зарядов, число которых пропор$ ционально энергии кванта падающего рентгеновского излучения. Посредством электронного многоканального анализатора можно сортировать импульсы тока по их величине и затем отображать на экране в зависимости от энергии кванта или, соответственно, длины волны. Это позволяет отнести интенсивность, кото$ рая пропорциональна концентрации измеренного элемента к элементно$специ$ фичной энергии. На основе амплитудного анализа импульсов получают статис$ тическое распределение энергий падающих квантов, которое может интерпрети$ роваться как спектр. Этот не требующий больших затрат метод позволяет создавать малогабарит$ ные, компактные приборы настольного типа. Для исследования образцов с силь$ но меняющимся составом рентгенофлуоресцентный анализ с дисперсией по энер$ гии является просто идеальным вариантом, ибо при этом могут одновременно регистрироваться все элементы от натрия (Z = 11) до урана (Z = 92) и вся область концентраций. И при этом никакой специальной подготовки проб конкретно к данному методу исследования не потребуется. Следовая аналитика в достаточно широком диапазоне элементов может быть реализована здесь быстрее и дешевле, чем при использовании других способов. Благодаря прогрессу в области усилительной техники и применению поляри$ зованного излучения, обеспечивающего заметное ослабление фона рассеяния, стали достижимы пределы обнаружения на уровне субмиллионных долей, что сравнимо с рентгенофлуоресцентным анализом с дисперсией по длине волны. Возбуждающее излучение рассеивается, в частности, более легкими элементами, вызывая шумы, воздействующие на предел обнаружения. С поляризованным,

14.9. Рентгеновские детекторы

451

полихромным излучением удается минимизировать сечение атомного рассеяния [14.6]. Поскольку чувствительность метода измерения определяется отношением полезного сигнала к сигналу фона, то уменьшение фонового излучения при неиз$ меняемой интенсивности полезного сигнала дает безусловное улучшение преде$ ла обнаружения.

14.9. Рентгеновские детекторы Для обнаружения рентгеновских лучей прибегают к помощи детекторов, использу$ емых в радиохимии. Преимущественно это сцинтилляционные счетчики для обла$ сти коротких волн и газовые счетчики для области длинных волн. Они преобразуют испускаемое пробой рентгеновское излучение в пропорциональные электрические величины, чаще всего в импульсы напряжения. Сцинтилляционные счетчики име$ ют при этом значительно больший квантовый выход – до 100%.

14.9.1. Сцинтилляционные счетчики Сцинтилляционный счетчик по своей конструкции соответствуют вторично$элек$ тронному умножителю (ВЭУ). Дополнительно они содержат еще светящийся кри$ сталл, преобразующий кванты рентгеновского излучения во флуоресцентное све$ чение. Регистрируемый квант рентгеновского излучения возбуждает кристалл ле$ гированного таллием йодистого натрия, который испускает квант света, порож$ дающего в фотоумножителе электроны, которые там соответственно множатся. Сцинтилляционный счетчик используется преимущественно в исследованиях с применением более жестких рентгеновских лучей, начиная от излучения молиб$ дена и выше, то есть при работе с излучением серебра или золота. Квантовый вы$ ход составляет в этой области более 90%.

14.9.2. Газовые счетчики Здесь используется способность квантов рентгеновского излучения к ионизации атомов газа, что и служит способом обнаружения этих квантов. Такие газовые счет$ чики состоят из металлической трубки с размещенной в ней по центру тонкой проволокой и заполненной газом, в большинстве случаев инертным. Кванты воз$ никающего рентгеновского излучения поглощаются «счетным» газом и ионизи$ руют его, вследствие чего при наличии приложенного между металлической труб$ кой и проволокой высокого напряжения формируется импульс тока. Закрытую счетную трубку с определенной смесью газов называют пропорциональным счет$ чиком. Если смесь газов проходит через трубку непрерывным потоком, то речь идет о проточном счетчике. У пропорционального счетчика по сравнению со сцинтилляционным кван$ товый выход хуже, особенно в случае более жесткого излучения. Газовые счетчи$ ки находят применение прежде всего в длинноволновой области рентгеновского излучения. Чтобы свести к минимуму потери на поглощение, входное окно для рентгеновских лучей выполнено из полипропиленовой пленки.

452

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

Даже если импульсы напряжения, генерируемые в газовых и сцинтилляцион$ ных счетчиках на каждый квант рентгеновского излучения, пропорциональны энергии этих квантов, все же достигаемая в этих счетчиках зависимая от энергии дисперсия излучения без кристаллических анализаторов оказывается недостаточ$ ной и они могут быть применены лишь в некоторых особых случаях. Импульсы пропорциональных счетчиков отличаются меньшей относительной полушириной, то есть лучшим разрешением по энергии, чем это имеет место у сцинтилляцион$ ных счетчиков.

14.9.3. Полупроводниковые детекторы Несравненно лучшим энергетическим разрешением обладают специальные по$ лупроводниковые детекторы. Среди них наибольшей популярностью пользуются исполнения из легированного литием кремния, в которых при падении кванта рентгеновского излучения образуется определенное число электронно$дырочных пар, прямо пропорциональное энергии данного кванта. Под действием высокого напряжения, приложенного к этому полупроводниковому диоду, из электронно$ дырочных пар возникают облака зарядов, которые менее чем за микросекунду могут быть измерены как импульс напряжения с помощью полевого транзистора, напрямую соединенного с кристаллом детектора. Для освобождения электрона в детекторе требуется определенная энергия. Измерение числа электронов, одновременно освобожденных в результате погло$ щения отдельного кванта рентгеновского излучения, просто показывает энергию соответствующего кванта. Поступающие аналоговые импульсы напряжения пре$ образуются в цифровую форму, и многоканальный анализатор относит их, соглас$ но величине, к соответствующим каналам, причем «номер канала» есть мера энер$ гии зарегистрированного кванта рентгеновского излучения. По окончании вре$ мени измерения импульсы после распределения энергий по соответствующим каналам суммируются и затем отображаются на экране дисплея или выводятся в графической форме через самопишущее устройство. Разрешающая способность таких систем с дисперсией по энергии определя$ ется прежде всего количеством каналов у многоканального анализатора. В зави$ симости от исполнения и поставленной задачи, таких каналов может быть от 1024 до 4096. Si(Li)$детектор способен регистрировать флуоресцентное излучение в диапазоне 0,05–0,7 нм почти со 100%$ным выходом, поэтому он годится для всех элементов, начиная с порядкового номера 11 (натрий). Для К$излучения Sn и бо$ лее тяжелых элементов лучше все же выбрать Ge(Li)$детектор, который, кроме прочего, имеет еще то преимущество, что в отключенном состоянии его можно хранить при комнатной температуре, в то время как Si(Li)$детектор требует обя$ зательного охлаждения жидким азотом.

14.10. Применение в химико%аналитических целях Метод рентгеновской флуоресценции позволяет проводить исследования компак$ тных или порошкообразных твердых проб, равно как жидких веществ и различ$ ных газов [14.7]. При качественном анализе пробы с гладкой поверхностью мож$

14.10. Применение в химико"аналитических целях

453

но анализировать в том виде, в каком они представлены. Для количественного анализа потребуется специальная пробоподготовка, например использование со$ ответствующих стандартов в целях исключения матричных эффектов. Металлы нуждаются в тщательном полировании и травлении во избежание понижения интенсивности флуоресценции в возможных глубоких трещинах и бороздках. В случае неоднородных проб можно добиться гомогенизации путем соответству$ ющего растворения. К добавкам очень легких или очень тяжелых элементов при$ бегают во избежание мешающих явлений в матрицах. Кроме того, пробы можно таблетировать с применением В2О3 либо смешивать их с наполнителями типа цел$ люлозного порошка или воска и подвергать прессованию. Матричные эффекты по мере разбавления постепенно затухают. Рентгеновская флуоресценция отлично зарекомендовала себя при проведении качественных и количественных анализов элементов с порядковым номером выше Z = 9, то есть после фтора. Флуоресценция легких элементов отличается очень боль$ шими длинами волн. Поэтому она особенно сильно поглощается атмосферным воздухом и с большим трудом либо вообще никак не поддается обнаружению обыч$ ными рентгеновскими спектрометрами. Применяя специальную технику, можно регистрировать и элементы с порядковым номером до Z = 3, то есть, например, бериллий. В принципе любой образец, независимо от его размера и формы, удается анализировать без разрушения. Обзорный качественный анализ дает полный рент$ геновский спектр, из которого сначала выделяются самые интенсивные линии для идентификации отдельных элементов. Для количественного анализа предприни$ мается цифровое измерение интенсивности одной или нескольких линий. С помощью рентгеновской флуоресценции возможно одновременное опре$ деление катионов и анионов в питьевой воде. Однако по сравнению с атомно$ абсорбционной спектроскопией и оптической эмиссионной спектрометрией с индуктивно связанной плазмой этот метод не столь чувствителен, и для опреде$ ления низких концентраций не обойтись без предварительного обогащения. Но поскольку здесь не используется никаких агрессивных химикатов, его можно по праву отнести к экологически чистым методам спектрального исследования [14.8].

14.10.1. Калибровка Насколько изящна методика рентгенофлуоресцентного анализа с точки зрения измерительной техники, настолько она сложна в математическом плане при вы$ числении по измеренным для определенного элемента интенсивностям характе$ ристического излучения концентрации этого элемента в пробе. С одной сторо$ ны, общая интенсивность излучения линии в спектре элемента обусловлена вре$ менем запаздывания детектора, имеющимся фоном и интенсивностями накла$ дывающихся линий других элементов. С другой стороны, присутствующие примеси оказывают поглощающее действие на возбуждающие лучи и излучение флуоресценции, а флуоресценция сопутствующих элементов может вызывать до$ полнительное возбуждение излучения флуоресценции. Математический способ расчета интенсивностей рентгеновского излучения был впервые предложен Хиллом в 1952 г. При этом измеренная интенсивность флуоресценции подлежит сначала корректировке с учетом времени запаздыва$

454

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

ния детектора, ибо с возрастающей частотой повторения импульсов увеличива$ ется вероятность того, что два кванта рентгеновского излучения за столь большой промежуток времени не попадут на детектор, а ионизация между тем вновь зам$ рет. Какое именно время запаздывания следует принимать во внимание, зависит от типа используемого детектора и измеренной частоты импульсов. При коррекции фона из суммарной интенсивности вычитается имеющееся при измеряемой длине волны фоновое излучение, проистекающее преимуще$ ственно от рассеянного пробой рентгеновского излучения и зависящее от вида пробы. Возможно только косвенное определение фона путем измерения интен$ сивностей слева и справа от линии. В случае рентгеноспектрометрии с дисперси$ ей по энергии подлинная коррекция достигается, когда для всего спектра общих интенсивностей проводится преобразование Фурье, после чего отфильтровыва$ ются линейчатые части. Но это будет работа с массой сложных вычислений, чрез$ вычайно трудоемкая в математическом плане. Но даже после математической коррекции измеренные интенсивности лишь в исключительных случаях прямо пропорциональны концентрации; более того, именно при рентгеновской флуоресценции межэлементные эффекты столь зна$ чительны, что градуировочные характеристики чаще всего сильно отклоняются от линейности. Стремительный прогресс в области компьютерных технологий способствовал созданию эффективных программ обработки информации, с по$ мощью которых удается решать практически любые проблемы. Современные рен$ тгеновские спектрометры предлагают многочисленные опции для быстрого про$ ведения качественных, полуколичественных и количественных анализов самых разных видов материалов. Специально разработанная программа способна на ос$ нове минимального числа стандартов автоматически вычислять градуировочные характеристики для большой области концентраций. Это позволяет анализиро$ вать пробы неизвестных веществ с точностью, порой не уступающей результатам, полученным с применением общепринятых методов градуировки [14.9]. Межэлементные явления основаны прежде всего на том, что толщина слоя, в котором генерируется излучение флуоресценции и из которого оно способно за$ тем выйти, определяется абсорбционным поведением данной пробы. Но погло$ щающая способность пробы, в свою очередь, зависит от весовых коэффициентов поглощения и концентраций всех имеющихся примесей. В дополнение ко всему, флуоресценция элемента определяется не только излучением рентгеновской труб$ ки: флуоресценция сопутствующих элементов с более высоким (на две единицы) порядковым номером возбуждает дополнительное излучение определяемого эле$ мента. В результате такой вторичной флуоресценции возрастающая концентра$ ция более тяжелых примесей усиливает поглощение и уменьшает толщину слоя, из которой выходит излучение флуоресценции. Кроме того, увеличивается вто$ ричная флуоресценция, которая опять$таки приводит к повышению излучения флуоресценции измеренного элемента. Оба этих влияющих фактора могут корректироваться математическим путем, для чего существуют специальные вычислительные программы, основанные на различных математических подходах и имеющие в значительной мере эмпири$ ческую природу. Поскольку вряд ли можно говорить о модели, способной дать

14.11. Рентгенофлуоресцентный анализ с полным внутренним отражением

455

для всех без исключения областей применения одинаково хорошие результаты, многие устройства рассчитаны на использование большого числа разных вычис$ лительных моделей для оценки полученных данных. Независимо от методики подготовки проб, общим недостатком классическо$ го анализа по принципу рентгеновской флуоресценции остается достаточно слож$ ная и требующая больших затрат градуировка, причем для некоторых видов проб может не оказаться эталонных материалов либо их будет слишком мало. Опреде$ ленную проблему создает влияние матрицы на отдельные элементы пробы, но оно может быть скорректировано с помощью математических алгоритмов. Многие производители приборов для проведения рентгенофлуоресцентного анализа прилагают к своему оборудованию специальные программы для полуко$ личественных определений. В этом случае можно отказаться от достаточно тру$ доемкого процесса составления градуировочного графика на основе подходящих стандартов. Полуколичественные определения можно проводить для самых раз$ ных проб, принятых в любом объеме и без всякой их специальной подготовки. Данный вариант особенно интересен в отношении неизвестных проб с резко ме$ няющимся составом. Однако данные таких измерений – по причине отсутствую$ щей математической коррекции влияющих факторов в пробе и недостаточной точности счетной статистики – часто представлены лишь на уровне порядка ве$ личины. И все же даже такой результат, при необходимости более точного анали$ за, существенно поможет в деле отбора соответствующих стандартов [14.10].

14.10.2. Предел обнаружения Предел обнаружения в рентгеноспектральных анализах определяется почти ис$ ключительно отношением сигнал/шум: поэтому элемент можно считать надежно обнаруженным, если его сигнал показывает четкое выделение из фона. И тогда решающим моментом становится стандартное отклонение фона. В зависимости от требуемой вероятности обнаружения элемент поддается детектированию, ког$ да частота повторения его импульсов в два$три раза превышает стандартное от$ клонение фона. Относительно высокое фоновое излучение, имеющее место при нормально реализуемом методе рентгеновской флуоресценции, вытекает из того, что первичное излучение рентгеновской трубки рассеивается на пробе, причем это рассеяние возрастает по мере уменьшения порядкового номера элементов пробы.

14.11. Рентгенофлуоресцентный анализ с полным внутренним отражением В прошедшие годы, благодаря возможности возбуждения посредством полнос$ тью отраженного на носителе пробы первичного луча, спектрометрия рентгено$ вской флуоресценции стала привлекать интерес и с точки зрения ее использова$ ния для ультраследовых анализов [14.11]. Рентгеновская флуоресценция с пол$ ным внутренним отражением отличается от классической рентгенофлуоресцен$ ции по многим параметрам – по способу подготовки проб, приемам градуировки,

456

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

обработке данных и пределу обнаружения [14.12]. Из$за известных матричных эффектов обычная рентгеновская флуоресценция не очень подходит для следо$ вых или тем более ультраследовых анализов. Метод полного внутреннего отраже$ ния рентгеновских лучей, открытый в 1930 г. Комптоном, впервые был применен на практике лишь в 1971 г. и с тех пор успешно практикуется в химико$аналити$ ческих целях. Так как при исследованиях методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии проб очень малых объемов рассеянное излучение вызывается почти исключитель$ но носителем пробы, то предел обнаружения может быть заметно снижен за счет того, что в этом случае отполированный до зеркального глянца носитель, выпол$ ненный, например, из кварцевого стекла, углеродного стекла или плексигласа, полностью отражает возбуждающее излучение. Итак, полное внутреннее отраже$ ние достигается при наличии максимально гладкого и ровного носителя пробы, а именно таким образом, что первичное излучение под очень малым углом (всего в несколько дуговых минут) через специальный отражатель направляется на пробу, где излучение флуоресценции измеряется с дисперсией по энергии под углом 90° относительно поверхности носителя пробы. Классический же рентгенофлуорес$ центный анализ действует с углом падения возбуждающего излучения около 45°. Ниже критического угла для полного внутреннего отражения рентгеновских лучей на кварце почти не наблюдается неупругого взаимодействия возбуждающего излучения с материалом носителя пробы, так что достигается резкое ослабление спектрального фона по сравнению с обычной геометрией возбуждения. Отража$ тельная способность и глубина проникновения зависят от угла падения. Ниже пре$ дельного угла полного отражения отражательная способность приближается к 1, а глубина проникновения составляет всего несколько нанометров. Именно с учетом чрезвычайно малой глубины проникновения рентгеновская флуоресценция с пол$ ным внутренним отражением особенно удобна для изучения поверхности разных материалов. Выше этого предельного угла отражательная способность резко пада$ ет, а глубина проникновения достигает уровня мкм$единиц [14.13]. Благодаря значительному уменьшению вызванного комптоновским непрерыв$ ным спектром фонового излучения при рентгеновской флуоресценции с полным внутренним отражением пределы обнаружения в пг$области и ниже стали воз$ можны для более чем 60 элементов, если проводить измерение на растворах без матрицы. Влияние матрицы в этом методе ослаблено, так как излучение флуорес$ ценции не поглощается пробой. Таким образом, рентгеновская флуоресценция с полным внутренним отражением обладает чрезвычайно высокой абсолютной об$ наружительной способностью, и калибровка для такого анализа довольно про$ ста, если анализируемое вещество находится на подходящей для возбуждения поверхности, например на плоской пластинке из кварца или плексигласа. Одна$ ко серьезные проблемы связаны с подготовкой пробы в микромасштабном объе$ ме, ибо матрица даже в ничтожном количестве способна повысить интенсивность рассеянного излучения. В качестве примера можно назвать применение метода в целях определения следов элементов в гистологических тонких срезах. Но, как и в случае любой рентгеновской флуоресценции, при анализе с пол$ ным внутренним отражением пределы обнаружения тоже стремительно идут вверх,

14.11. Рентгенофлуоресцентный анализ с полным внутренним отражением

457

когда число рассеивающих атомов увеличивается с объемом матрицы. Еще одно отличие от «нормальной» рентгеновской флуоресценции состоит в том, что ука$ занные преимущества удается использовать лишь при условии, что проба в виде очень тонкой пленки нанесена на полированную поверхность носителя. С этой целью пробу приходится предварительно переводить в состояние раствора или хотя бы сверхтонкой суспензии. Рентгеновская флуоресценция с полным внутренним отражением отлично себя зарекомендовала и при проведении анализов растворов, опять$таки при условии, что в растворе присутствует лишь минимальное количество твердых компонен$ тов. В противном случае крупинки соли, появившиеся при высыхании мельчай$ шей капли пробы на носителе из кварцевого стекла, способны значительно уве$ личить долю рассеянного излучения. Посредством возбуждения остатков раство$ рителя в жидких пробах можно на основе рентгеновской флуоресценции с пол$ ным отражением проводить, с малыми затратами на калибровку, весьма эффективные прямые определения с анализом реагентов высокой чистоты, дож$ девой воды или масел. В области аналитического исследования материалов метод рентгеновской флуоресценции с полным отражением оказался – после отделе$ ния матрицы – тоже весьма успешным при проведении анализов сверхчистого алюминия и технически чистого железа. Здесь для микроанализа потребуется всего несколько микролитров раствора или, соответственно, несколько микрограммов твердого вещества. Благодаря малой глубине проникновения в условиях полного внутреннего отражения описанная методика представляется особенно удобной для поверхно$ стно$сенситивных измерений. В случае биологических проб данный метод нахо$ дит применение для целей прямого определения металлов в тонких слоях, напри$ мер в тканевых срезах или мазках крови. В области изучения полупроводников рентгеновская флуоресценции с полным внутренним отражением используется для определения поверхностных загрязнений на кремниевых пластинах. Кроме того, с ее помощью можно, не разрушая образца, распознавать свойства красите$ лей, применяемых в производстве одежды, причем для определения элементного состава достаточно количества вещества, собранного ватной палочкой с поверх$ ности одежды. Полихроматическое излучение рентгеновских трубок наводится зеркалом, ко$ торое, действуя как фильтр нижних частот, путем рассеяния и поглощения уничто$ жает обладающее более высокой энергией тормозное излучение и направляет на пробу только излучение под углом ниже критического для полного отражения. В то время как спектрометры для следовых анализов функционируют с постоянно уста$ новленным углом, при исследовании поверхности используется высокая чувстви$ тельность измеряемого сигнала к углу падения. Незначительные изменения угла падения и энергии возбуждения вызывают отчетливые изменения в сигнале флуо$ ресценции. Угловая настройка осуществляется при этом с точностью ±0,005°. Рен$ тгеновское излучение должно быть для этого монохроматическим. С этой целью используют рентгеновские монохроматоры с кристаллом, которые отфильтровы$ вают определенную узкую энергетическую полосу, например Кα$линию из спектра молибдена либо Lβ$линию из спектра вольфрама.

458

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

14.12. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции Уже давно в промышленности существует потребность в приборной технике, с помощью которой можно было бы быстро и без разрушения образца проводить качественные и количественные анализы материалов на заводе, любом другом про$ изводственном предприятии, на складе, стройке или в режиме он$лайн без отбо$ ра проб и доставки их в центральную лабораторию. Требуемый прибор должен «уметь» анализировать образцы в любом виде, в том числе отливки, трубы, метал$ лические листы, чушки и т.д. В частности, в электронном производстве предъяв$ ляются максимально высокие требования к качеству все более мелких деталей все более сложной формы. Особые трудности возникают при необходимости измере$ ния с высокой точностью толщины слоя даже на самых мелких элементах. Все чаще используемые в последние годы покрытия из дорогостоящих благородных металлов – золота, серебра, родия и т.п. – требуют надежного, точного способа измерения толщины слоев [14.14]. Но даже самый лучший измеритель толщины слоя не получит широкого при$ знания, если его обслуживание может быть поручено только высококвалифици$ рованному персоналу. Точные измерения толщины слоев приходится проводить в ходе текущего производства, и они должны быть под силу соответствующим об$ разом обученному специалисту среднего звена. Развитие микроэлектроники и микропроцессорной техники позволило значительно облегчить операции по об$ служиванию оборудования, сопровождаемые немедленной выдачей результата измерения и определением разного рода статистических данных. Эти процессы способствовали созданию компактных и приемлемых по цене измерителей тол$ щины слоя на основе рентгеновской флуоресценции [14.15]. Все большее значение приобретают высокоточные измерения толщины слоя при минимальной геометрии измеряемого пятна. Нередко приходится иметь дело с двух$ или трехслойной структурой материалов или многослойными сплавами, когда тре$ буется одновременно измерять – без разрушения! – толщину и состав материала. При этом процесс измерения должен отвечать следующим общим требованиям: • измерение без разрушения, с высокой точностью, • минимальная геометрия измеряемого пятна, • исключение влияния промежуточного слоя и состава основного вещества на результат измерения, • одновременное измерение верхнего и промежуточных слоев, • одновременное измерение толщины слоя и легирующей добавки в случае двухкомпонентных легированных слоев. Самым распространенным в настоящее время способом измерения толщины слоев, отвечающим приведенным выше требованиям, является именно рентгено$ вская флуоресценция. При этом объект измерения размещается на измерительном приборе с таким расчетом, чтобы он облучался в месте измерения выведенным рен$ тгеновским лучом. Тогда возникает характеристическое рентгеновское излучение в слое и основном материале, а также в промежуточных слоях, если таковые имеют$

14.12. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции

459

Скорость счета

Золото (покровный слой)

Медь (основной материал)

Нижняя граница

Верхняя граница

Энергия рентгеновского излучения

Рис. 14.15. Энергетические спектры рентгеновских лучей; вверху: спектр золота, внизу: спектр меди

ся. С помощью системы детекторов (пропорционального счетчика) получают про$ порциональные энергии электрические сигналы. В качестве примера на рис. 14.15 показан для разных материалов спектр электрических импульсов. На оси Х отло$ жена амплитуда электрического сигнала. Поскольку данный сигнал пропорциона$ лен энергии рентгеновского излучения, представленный спектр равным образом является энергетическим. На оси Y можно увидеть повторяемость такого электри$ ческого сигнала. Теперь задача измерения толщины слоя решается путем электрон$ ного выделения из спектра определенной его части. Эта часть, именуемая также окном в спектре, используется для регистрации измеряемого сигнала [14.16]. Итак, измерение толщины слоя по принципу рентгеновской флуоресценции суть измерение интенсивности излучения совершенно определенной лучистой энергии. Существует два принципиальных метода измерения (рис. 14.16): • метод измерения по эмиссионному принципу, где для измерения привле$ кается излучение, генерируемое материалом слоя; • метод измерения по трансмиссионному принципу, где для измерения при$ влекается излучение, генерируемое материалом основного вещества. Измеренная интенсивность излучения есть мера толщины слоя. Требуемый метод измерения определяется при фиксации окна в спектре. Если работа ведется по трансмиссионному принципу (то есть с пропусканием), следует принимать во внимание следующее: ни в коем случае не должно быть промежуточного слоя меж$ ду измеряемым покрытием и основным материалом, так как промежуточный слой тоже действует на ослабление излучения основного материала; толщина основного материала относительно используемого для него характеристического рентгеновско$ го излучения должна соответствовать плотности насыщенной фазы, или толщины

460

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ Скорость счета

Пропускание (линия основного материала)

Испускание (линия материала слоя)

Толщина слоя, мкм

Рис. 14.16. Связь между толщиной слоя и скоростью счета при измерении по эмис$ сионному и трансмиссионному принципу

слоя насыщения, например при Cu около 60 мкм; состав основного материала из$ меняться не может, то есть изменения интенсивности распознанного излучения должны быть обусловлены исключительно изменением толщины верхнего слоя. Интенсивность рентгеновского излучения индицируется в виде скорости счета. В зависимости от вида детектора, каждый фотон или квант регистрируется и под$ считывается отдельно. Следовательно, высокая интенсивность означает в таком представлении много квантов света или, соответственно, фотонов, то есть высо$ кую скорость счета. Данный параметр пересчитывается в нормированную скорость счета по сле$ дующей формуле: хn =

x − x0 , xs − x0

где х0 означает скорость счета, измеряемую с деталью без покрытия, xS есть ско$ рость счета для толщины слоя насыщения, а х – измеренная скорость счета. Этот пересчет измеренной скорости счета в нормированную скорость счета имеет мно$ жество преимуществ. Прежде всего, подлежащий теперь обработке результат из$ мерения имеет порядок величины от 0 до 1. Нормированная скорость счета 0 пред$ ставляет собой результат, получаемый с материалом без покрытия; нормирован$ ная скорость счета 1 означает, что толщина слоя относительно измеряемого эф$ фекта обладает толщиной слоя насыщения. Заметим, что под толщиной слоя насыщения понимается та толщина, начи" ная с которой увеличение толщины слоя уже не вызывает усиления измеряемого эффекта. Это означает, что выше этой толщины слоя измерение уже не возможно.

14.12. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции

461

Толщина слоя Основной материал

Материал слоя

Скорость счета х характеристического излучения

Рис. 14.17. Зависимость между скоростью счета и толщиной слоя

Достоинство подобного представления заключается также в том, что незави$ симо от того, ведется работа по эмиссионному либо трансмиссионному принци$ пу, с увеличением толщины слоя нормированная скорость счета возрастает. Через указание нормированной скорости счета в знаменателе обеспечивается то обсто$ ятельство, что при изменениях интенсивности, обусловленных параметрами при$ бора, например при изменениях интенсивности излучения, выходящего из рент$ геновской трубки, посредством нового определения скорости счета x0 и xS изме$ рительное устройство полностью заново настраивается, и для этого не требуется построения новой характеристической кривой (рис. 14.17). На основе указанной зависимости между нормированной скоростью счета и толщиной слоя можно теперь вычислить собственно толщину слоя. Форма при$ веденной характеристической кривой зависит от конкретной задачи измерения и определяется с помощью стандартов толщины известных слоев. Подходящим математическим способом, запрограммированным в измерителях с микропроцес$ сорным управлением, эта форма может быть описана с использованием ряда ко$ эффициентов. При этом определенный набор коэффициентов представляет кон$ кретную задачу измерения и определяется так называемой программой градуи$ ровки, приспосабливающей его для всех времен в решаемой задаче [14.17]. На рис. 14.18 приведена характеристическая кривая для измерения толщины слоя золота на никеле. Для понимания названной программы чрезвычайно важно четко различать коэффициенты, описывающие эту характеристику и являющиеся, следователь$ но, типичными для данной задачи измерения, и постоянные х0 и xS, используе$ мые для пересчета измеренных скоростей счета в нормированную скорость, а именно на основе указанной выше формулы. Обе величины х0 и xS могут зависеть от аппаратурных особенностей и должны поэтому регулярно определяться зано$ во. Такая нормализация измерительного прибора сравнима с установкой нулевой точки другого измерителя, например вольтметра, и не имеет ничего общего с оп$ ределением характеристики для пересчета измеренного результата в измеряемую физическую величину.

462

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ Толщина слоя, мкм

Нормированная скорость счета

Рис. 14.18. Графическая характеристика для измерения толщины слоя золота на никеле (эмиссионный принцип)

Если рассматривать точность измерения, которая может быть достигнута при$ бором, действующим по принципу рентгеновской флуоресценции, то здесь особое значение имеет тот факт, что для регистрации привлекается только излучение ка$ кого$то определенного материала. Это достигается путем соответствующего выбо$ ра окна в спектре. В результате получают очень хорошее отношение сигнал/шум либо весьма благоприятное отношение скорости xS к скорости х0. Теоретически достаточно было бы просто скорости счета х0 = 0, но, в силу физических свойств детектора и измерительной конструкции в целом, можно измерить незначитель$ ную фоновую скорость счета даже при материалах без покрытия.

14.12.1. Применение селективных поглощающих пленок (фильтров) У элементов, расположенных в периодической системе рядом друг с другом, напри$ мер у Ni и Cu, разность энергий генерированного характеристического излучения очень мала. По причине того, что пропорциональный счетчик обладает лишь огра$ ниченной избирательностью в отношении излучения разных энергий, характерис$ тическое излучение никеля невозможно четко отделить от характеристического из$ лучения меди. Если при таких условиях измеряют по эмиссионному принципу тол$ щину слоя никеля на куске меди, то в выбранном окне получают излучение, часть которого принадлежит меди. В этом случае результат измерения обусловлен свой$ ствами основного материала, то есть будет определяться разная толщина слоя нике$ ля в зависимости от того, нанесено ли никелевое покрытие на медь, на Cu$Zn, на медную бронзу либо иные подобные материалы. Избежать такого искажения резуль$ тата удается иногда с применением дополнительных вспомогательных средств. Итак, рентгеновское излучение вновь поглощается материалом. При этом энергия излучения идет на ионизацию атомов этого материала. Кстати, на извле$ чение электрона из К$оболочки атома требуется больше энергии, чем ее осво$ бождается при последующем процессе заполнения образовавшейся дырки в ре$ зультате перехода электрона из вышележащей L$оболочки. Энергия, необходи$ мая для удаления электрона из К$оболочки, есть энергия связи К$оболочки. Сле$

14.12. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции

463

дующим процессом и будет характеристическое К$излучение, содержащее в ка$ честве энергии лишь разность энергий: между энергией связи К$оболочки и энер$ гией связи L$оболочки. Тогда на основе закона Мозли находят следующую зави$ симость, которая справедлива почти во всех случаях. Характеристическое излучение атома с порядковым номером Z способно вызвать ионизацию атомов с порядковым номером Z"2 в К"оболочке, однако ионизация ато" мов с порядковым номером Z"1 посредством данного излучения исключается. Поясним это на практическом примере. Когда излучение никеля (Z = 28) и меди (Z = 29) падает на кобальтовую пленку (Z = 27) толщиной от 8 до 12 мкм, то излуче$ ние никеля в более или менее ослабленном виде проходит сквозь нее, в то время как излучение меди сильно уменьшается в этой пленке по той причине, что исходя$ щие от меди лучи идут на ионизацию атомов кобальта в К$оболочке. Такая иониза$ ция невозможна с излучением, посылаемым атомами никеля. Коэффициент по$ глощения есть мера силы поглощения по интенсивности при проникновении из$ лучения в пленку. На полученной кривой распознается острая грань, показываю$ щая, что начиная с определенной (пороговой) энергии появляется возможность ионизации атомов кобальта в К$оболочке. Энергии, превышающие эту пороговую величину, претерпевают достаточно сильное поглощение в пленке (рис. 14.19). Одновременно на этом рисунке схематически отображается интенсивность излучения никеля или меди, измеряемая детектором излучения без кобальтовой пленки между местом измерения и самим детектором. Широкой полосой в виде гистограммы обозначена интенсивность, измеряемая при условии, что между ме$ стом измерения и детектором излучения помещена кобальтовая пленка. Конечно, излучение от никеля тоже несколько ослабевает, но излучение меди уменьшается несравненно сильнее. Понижения интенсивности излучения нике$ ля и вызванного этим определенного ухудшения точности измерения удается в значительной степени избежать благодаря почти полному поглощению излуче$ ния меди и исключению в связи с этим мешающих эффектов, возможных при изменении состава основного материала. Весовой коэффициент поглощения для кобальта Никель Медь

Интенсивность без абсорбера Интенсивность без абсорбера Интенсивность с абсорбером

Интенсивность с абсорбером

Энергия излучения, кэВ

Рис. 14.19. Принцип действия поглощающей пленки

464

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

Данный прием может быть реализован и для любой другой комбинации веществ. Допустим, требуется измерить слои цинка (Z = 30) на латуни (Z для Cu = 29): в этой ситуации имеет смысл воспользоваться поглощающей пленкой из никеля (Z = 28).

14.12.2. Измерение толщины верхнего и промежуточного слоев Если деталь имеет не только покрытие, но в дополнение к нему еще и промежу$ точный слой, например если берется золото как покровный слой, никель – как промежуточный слой, и все это наносится на медь или латунь, используемые в качестве основного материала, то при измерении толщины слоя методом рентге$ новской флуоресценции наблюдается не только излучение материала самого вер$ хнего слоя (золота) и излучение основного материала (меди или латуни), но и из$ лучение материала промежуточного слоя (никеля). Все три характеристических излучения попадают на детектор. Путем выбора подходящего окна в спектре можно отдельно анализировать соответствующее излучение. Так как три разных излуче$ ния попадают на детектор одновременно, то представляется целесообразным ос$ настить используемую электронику таким образом, чтобы излучение верхнего и промежуточного слоев можно было распознавать одновременно в двух раздель$ ных счетных каналах (рис. 14.20). На основе нормированной скорости счета, определяемой по измеренной ско$ рости счета излучения покровного слоя, можно обычным способом установить толщину слоя покрытия. Теперь, зная толщину этого верхнего слоя, можно скор$ ректировать измеренный результат скорости счета промежуточного слоя с расче$ том на достижение требуемого влияния поглощения верхнего слоя на результат измерения скорости счета излучения, исходящего от промежуточного слоя. За$ тем на основе этой скорректированной скорости счета можно вновь установить нормированную скорость счета и общепринятым способом с помощью извест$ ной характеристики определить толщину промежуточного слоя. Скорость счета Окно для промежуточного слоя

Окно для верхнего слоя

Энергия характеристического излучения

Рис. 14.20. Одновременное измерение верхнего и промежуточного слоев на при$ мере золота (верхний слой) и палладия (промежуточный слой); основ$ ной материал – медь

14.12. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции

465

Очень важно, что обе скорости счета измеряются одновременно в одном и том же месте, так что коррекция измеренной скорости счета излучения на проме$ жуточном слое проводится с правильной толщиной верхнего слоя. Существен$ ным моментом в деле достижения такого одновременного измерения верхнего и промежуточного слоев является правильное определение характеристических кривых с использованием программы градуировки и установочных нормалей тол$ щины слоев на основе известных данных толщины. В частности, необходимо пра$ вильно определять соответствующие константы для коррекции измеренного ре$ зультата скорости счета промежуточного слоя с учетом существования вышеле$ жащего покровного слоя. Чтобы выполнить это требование, рекомендуется ис$ пользовать следующие градуировочные нормали: • комплект стандартов материала верхнего слоя известной толщины на ма$ териале промежуточного слоя бесконечной толщины, • комплект стандартов материала промежуточного слоя известной толщины на основном материале без покрытия. Например, в варианте «золото через никель на меди» используют комплект градуировочных нормалей «золото на никеле» и комплект нормалей «никель на меди». Для правильного выполнения коррекции совершено необходимо, чтобы величины толщины слоев используемых стандартов имели значения, однозначно соответствующие характеристическим кривым, то есть с равномерным распреде$ лением в определенном диапазоне измерения.

14.12.3. Измерение толщины двухкомпонентного легированного слоя Если материал слоя состоит не из чистого вещества, а из сплава, то понятно, что в месте измерения генерируются характеристические излучения всех присутствую$ щих в сплаве компонентов. Возьмем в качестве примера такой слоистой структуры слой свинца и олова (оловосвинцовый припой). В месте измерения возникает ха$ рактеристическое К$излучение олова, характеристическое L$излучение свинца и, конечно, также излучение основного материала, причем последнее в данном конк$ ретном случае после толщины слоя свинцово$оловянного сплава в несколько мкм уже никак не попадет на детектор. На основе большой разности энергий двух ха$ рактеристических излучений удается с помощью подходящей системы детектиро$ вания регистрировать эти излучения с достаточно четким разделением. Наибольшая трудность при измерении толщины легированных слоев мето$ дом рентгеновской флуоресценции заключается в том, что интенсивность харак$ теристического излучения одного компонента может быть в значительной степе$ ни обусловлена существованием других компонентов. Причиной этого является так называемое поперечное возбуждение отдельных компонентов сплава. Здесь уместно было бы вспомнить главу, посвященную теме использования абсорбера в процессах измерения. Коротко все вышесказанное можно выразить следующим образом: характеристическое излучение, испускаемое атомами олова, может вновь вызвать ионизацию атомов свинца и тем самым возбудить их излучение. Это приводит к тому, что при измерении толщины свинцово$оловянного слоя обнаруживают непропорционально меньшее излучение олова и непропорциональ$

466

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

но большее излучение свинца. Степень такого влияния зависит, естественно, от соотношения объемов свинца/олова. Таким образом, невозможно определить тол$ щину легированного слоя, если регистрируется интенсивность излучения только одного компонента (например, олова). Характеристические кривые, отображающие зависимость между интенсивно$ стью излучения и толщиной слоя, в значительной мере определяются составом этого слоя. Следовательно, толщину легированного слоя, состоящего из двух или более компонентов, можно определить лишь в том случае, если состав материала данного слоя не изменяется, а характеристика снимается с применением калиб$ ровочных стандартов, состоящих из такого же материала. Если эти требования невыполнимы, как в случае свинцово$оловянных слоев, и приходится иметь дело с дополнительным поперечным возбуждением, что так$ же вполне возможно в такой ситуации, то в обязательном порядке придется одно$ временно с измерением толщины слоя проводить определение концентрации, причем требования в отношении точности результата подобного измерения не должны быть слишком высокими: для определения концентрации достаточно точности порядка 0,5–1 вес.%. На уровне измерительной техники это решается довольно просто, особенно если одновременно могут детектироваться раздельные излучения обоих компо$ нентов, что вполне достижимо при варианте «олово$свинец на меди или латуни». Впрочем, этот способ не годится для тех ситуаций, когда один из компонентов сплава как материала слоя является в то же время составной частью основного материала. Это можно наблюдать, например, в случае палладия$никеля на никеле или сплава золота и меди на меди или латуни: здесь вряд ли можно с уверенностью сказать, где именно возникла обнаруженная интенсивность излучения меди – в материале слоя или в основном материале. Точное измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции возможно здесь только при условии, что состав сплава остается постоянным (допустимое изменение концентрации состав$ ляет менее 0,5–1 вес.%). На рис. 14.21 показана зависимость между нормированной скоростью счета и концентрацией в двухкомпонентном сплаве. В качестве примера здесь берется интенсивность излучения свинца, исходящего из оловянно$свинцового сплава. Отклонение приведенной характеристики от прямой линии с наклоном 45° точно показывает упомянутую непропорционально большую долю излучения свинца в оловянно$свинцовом сплаве. Следовательно, например, для 50%$ного сплава оло$ ва и свинца имеют в качестве нормированной характеристики интенсивность, пре$ вышающую 50% интенсивности, которая была бы получена при определении из$ лучения (свинца) из материала, состоящего из чистого свинца. Составление такого графика, отображающего зависимость между интенсив$ ностью излучения заготовки бесконечной толщины и долей соответствующего компонента данной детали в весовых процентах, совершенно необходимо для проведения измерения толщины легированного слоя. Математически подобную кривую можно описать с помощью одной$единственной константы и, следова$ тельно, определить тоже с одним$единственным стандартом сравнения – извест$ ного состава бесконечно большой толщины слоя.

14.12. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции

467

Толщина слоя, мкм

Излучение Sn

Излучение Pb

Нормированная скорость счета

Рис. 14.21. Кривые характеристического излучения свинца и олова как функции нормированной скорости счета. Одновременно показано влияние из$ менений концентрационных долей олова и свинца

Особую сложность при измерении толщины легированного слоя представляет тот факт, что толщина слоя насыщения и скорость счета слоя насыщения, как и форма графика, есть функция концентрации отдельных компонентов в материале слоя. Рисунок 14.21 дает обзорную картину влияния разных концентраций олова/ свинца на зависимость между нормированной скоростью счета и излучением олова и, соответственно, свинца. В этом представлении уже выполнено нормирование из расчета на соответствующую скорость счета насыщения, причем это тоже является функцией концентрации (рис. 14.22). Эта, казалось бы, неразрешимая и действительно сложная задача на самом деле решается довольно просто, а именно с помощью подходящих математичес$ ких операций и современных микропроцессорных устройств обработки данных. Как уже упоминалось выше, подобный способ измерения толщины слоя с помо$ Содержание свинца в Sn/Pbсплаве, %

Нормированная скорость счета

Рис. 14.22. Зависимость между нормированной скоростью счета характеристичес$ кого излучения свинца и содержанием свинца в оловянно$свинцовом сплаве с толщиной слоя насыщения

468

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

щью рентгеновской флуоресценции возможен только при условии, что интенсив$ ности излучения обоих компонентов могут определяться раздельно.

14.13. Новые разработки в рентгеновской спектрометрии На основе рентгенофлуоресцентного анализа можно определять содержание эле$ ментов с относительной точностью 0,05%. Правда, для этого требуется наличие достаточно совершенной техники подготовки проб. Для определения легких эле$ ментов использование многослойных псевдокристаллов, вместо традиционных кристаллов, стало весьма прогрессивным шагом. Благодаря успехам в области детекторных технологий появилась возможность использования обладающих высоким разрешением и разработанных для конкретных элементов газовых и га$ зово$сцинтилляционных пропорциональных счетчиков. Применение усовершен$ ствованных методов обработки данных и установление связи с системами управ$ ления полученной в лабораториях информацией способствовали повышению эффективности рентгеноспектральных анализов. Все более широкое распространение метода рентгеновской флуоресценции в области проведения стандартных исследований привело к повышению уровня автоматизации. С внедрением подходящего программного обеспечения обслужи$ вание оборудования становилось все более удобным и надежным. Замена меха$ ники электроникой, а затем электроники – программными средствами стала ос$ новой для получения в высшей степени благоприятного отношения цены/каче$ ства. Между тем столь высокий уровень техники в сфере рентгеновской флуорес$ ценции привел к форсированной разработке спектрометров порой весьма сомнительных достоинств, предлагаемых, например, для определения содержа$ ния углерода. В некоторых конструкционных исполнениях повышение интенсив$ ности достигается за счет понижения разрешающей способности прибора или ухудшения иных характеристик.

14.13.1. Рентгенофлуоресцентный анализ легких элементов Возможность определения углерода с помощью рентгеновской флуоресценции следовало бы рассматривать как тест на эффективность системы, но не как реше$ ние конкретной аналитической задачи. Выход флуоресценции для углерода со$ ставляет всего 0,001, а глубина проникновения излучения (90%) только 0,02 мкм [14.18]. Поверхностные примеси оказывают чрезвычайно большое влияние на результат измерения. Простое прикосновение к поверхности польцем уже спо$ собно привести к повышению содержания углерода на несколько процентов. От$ сюда следует, что данный метод может использоваться для определения присут$ ствия соединений углерода на стальных поверхностях. В промышленном масш$ табе его применяют, например, в целях обнаружения углеродных примесей на листовой стали, предназначенной для автомобильного производства, что очень важно, если учесть, что такого рода загрязнения способствуют образованию ржав$ чины [14.19].

14.14. Резюме и перспективы развития рентгенофлуоресцентного анализа

469

В сфере определения углерода и других легких элементов отмечается тенден$ ция к привлечению для этой цели других кристаллов либо псевдокристаллов [14.20]. Большие надежды здесь возлагаются на псевдокристаллы в форме множе$ ственных слоев. Легкие элементы, такие как углерод, азот и кислород, можно оп$ ределять, потратив на весь анализ около 15 минут [14.21]. Несмотря на очевидные успехи в области анализов по принципу рентгеновской флуоресценции, этот ме$ тод успешно работает только при решении тщательно подобранных задач, поэто$ му знание пределов его возможного применения является залогом плодотворной аналитической деятельности.

14.13.2. Псевдокристаллы Впечатляющий прогресс в деле развития кристаллов был достигнут с получением варианта в многослойном исполнении. Легкие и тяжелые элементы размещаются друг за другом тонкими слоями, образуя многослойную структуру. В качестве тя$ желых элементов находят применение W, Ni, Ti, Nb или Мо. Толщина и интервал между отдельными слоями выдерживается на уровне нескольких 10–6 см. Как лег$ кий элемент для промежуточных слоев идеальным представляется углерод. Диф$ фузия внутри структуры снижается за счет карбидообразования с тяжелыми эле$ ментами. Именно с появлением такого рода псевдокристаллов вообще стал возможен анализ легких элементов. Так как излучение легких элементов значительно по$ глощается уже воздухом, приходится разрежать пространство между пробой и де$ тектором и заполнять его гелием.

14.14. Резюме и перспективы развития рентгенофлуоресцентного анализа Понятие рентгеновской флуоресценции обычно применяют в тех случаях, когда фотоны рентгеновских лучей используются для генерации характеристического излучения элементов, содержащихся в пробе. Необходимое для инициации рент$ генофлуоресценции первичное рентгеновское излучение должно обладать доста$ точной энергией, чтобы электрон внутренней оболочки элемента вырвать из су$ ществующей атомной связи. Образующаяся при этом электронная вакансия за$ полняется внешним электроном, который отдает освобождающуюся энергию в виде кванта рентгеновского излучения. Результирующий отсюда рентгеновский спектр очень просто идентифицируется и описывается, как правило, лишь не$ большим числом линий. Вместе с тем рентгенофлуоресцентный анализ считается методом чрезвычай$ но многостороннего применения и отличается ничтожным числом случайных по$ грешностей, как и малыми затратами времени на его реализацию. Рентгеновская флуоресценция действует без разрушения образца, не нуждается в пробах боль$ шого объема и снискала популярность при решении самых разных задач в облас$ ти элементной аналитики. С ее помощью удается обнаружить почти все извест$ ные элементы, причем область применения метода простирается до твердых и

470

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

жидких проб самых разных видов. Достигаемая обнаружительная способность в значительной мере зависит от исследуемой комбинации элементов, причем осо$ бенно благоприятны в этом смысле тяжелые элементы в легкой матрице. Обычно говорят о двух принципиально разных системах рентгеновской флу$ оресценции – с дисперсией по энергии и с дисперсией по длине волны. Спектро$ метр с дисперсией по энергии отличается тем, что все вторичные рентгеновские лучи одновременно измеряются детектором. Это самый простой, самый компак$ тный и потому самый дешевый анализатор на основе рентгеновской флуоресцен$ ции. Доступные по цене анализаторы такого типа в настольном исполнении уже на протяжении многих лет создают пользователю условия для проведения легко$ го и быстрого анализа элементов с максимально простой пробоподготовкой. Пред$ почтение здесь отдается рентгеновским трубкам невысокой мощности, функци$ онирующим без охлаждающей воды. Связанные с этим потери чувствительности у таких приборов с лихвой компенсируются компактностью их конструкционно$ го исполнения. Но область применения рентгеноспектральных приборов такого типа ограничена в силу недостаточно четкого разделения расположенных рядом элементов. Системы с дисперсией по длине волны предлагают гораздо лучшее разреше$ ние спектральных линий при высокой скорости счета, чем обеспечивается очень хорошая чувствительность. Для этого необходима рентгеновская трубка мощнос$ тью до 3 кВт с соответствующим водяным охлаждением и питанием трехфазным током для работы установки. Разложение вторичного излучения осуществляется посредством кристалла, расположенного относительно детектора под углом, со$ ответствующим конкретному элементу. Отдельные длины волн для элементных линий отрабатываются последовательно друг за другом. Такими спектрометрами обычно оснащают центральные лаборатории и научно$исследовательские цент$ ры. По аппаратурным причинам гамма измеряемых элементов у прибора такого типа значительно больше. Кроме того, при технике последовательного действия удается гибко реагировать на самые разные составы проб. Благодаря оптике вы$ сокого разрешения достигаются лучшие пределы обнаружения для легких эле$ ментов. Применение способа рентгеновской флуоресценции для измерения толщины слоев позволяет решить множество задач, приспособленных для подобной обра$ ботки. На основе разделения излучения, исходящего от материала слоя, и излуче$ ния, посылаемого основным материалом или промежуточными слоями, можно проводить измерения толщины слоев независимо от изменений основного мате$ риала или существования промежуточных слоев разной толщины. Подходящие математические методы в сочетании с соответствующим образом рассчитанной детекторной электроникой дают возможность одновременно определять толщи$ ну верхнего и промежуточных слоев. Математические подходы другого рода по$ зволяет измерять толщину легированных слоев при одновременном определении концентрации отдельных компонентов. Непрерывное совершенствование имею$ щегося в этой сфере оборудования и новые разработки создают условия для опре$ деления все более сложных слоистых систем и структур, причем наибольшие пре$ имущества всегда предлагают, конечно, высокоэффективные вычислительные

14.14. Резюме и перспективы развития рентгенофлуоресцентного анализа

471

системы анализирующих устройств, с помощью которых комплексные матема$ тические программы могут быть реализованы в кратчайшие сроки и активизиро$ ваны простым нажатием клавиши. Поскольку в случае рентгеновской флуоресценции речь идет об относитель$ ном, но не об абсолютном способе измерения, приходится прибегать к калибров$ ке с привлечением проб того же состава, что и анализируемые неизвестные про$ бы. Часто для этой цели берутся образцы, предварительно измеренные обычны$ ми аналитическими методами. Обязательным условием при этом являются ста$ бильные стандарты, предварительно обработанные таким же способом, что и анализируемые пробы, и с интервалом концентраций, охватывающим предпола$ гаемую область анализируемых концентраций. Только в наипростейшей ситуа$ ции получают затем прямолинейное отношение между интенсивностью излуче$ ния и имеющейся концентрацией. В большинстве же случаев не обойтись без ма$ тематической коррекции. Специальные аналитические программы способны вы$ дать оптимальные эталонные параметры, поэтому для калибровки достаточно выполнить измерение стандартных проб. Таким образом, точные результаты ана$ лизов вполне может получить даже пользователь, не обладающий обширными знаниями по вопросам рентгенофлуоресцентного анализа. Наличие компактных спектральных приборов в настольном исполнении для работы с рентгеновской флуоресценцией позволяет решать аналитические зада$ чи из самых разных областей. Подготовка проб здесь достаточно проста и не от$ нимает много времени. Можно напрямую анализировать жидкости, твердые ве$ щества или порошки. Простота и быстрота пробоподготовки, хорошо разрешен$ ные спектры и возможность многоэлементного анализа делают этот метод чрез$ вычайно удобным для химико$аналитической практики. Все более широкое применение рентгеновской флуоресценции для рутинных лабораторных иссле$ дований способствовало повышению уровня автоматизации. Теперь компьютер берет на себя большой объем достаточно кропотливой работы по обработке дан$ ных. Это позволяет – даже при самых строгих требованиях к качеству проводи$ мого анализа – действовать на уровне оптимальной экономии средств. Чувствительность и, следовательно, предел обнаружения зависят не только от возбуждающего излучения, но и от рассеянного рентгеновского излучения про$ бы. Чем меньше фоновое излучение в зоне подлежащей измерению линии флуо$ ресценции, тем ниже предел обнаружения. Рассеянное излучение в области ли$ нии флуоресценции можно заметно уменьшить с помощью правильно выбран$ ных фильтров первичного излучения. Поскольку рассеянное излучение резко воз$ растает с уменьшением порядкового номера элемента, то эта мера представляется особенно целесообразной в случае анализа проб с легкой матрицей. В рентгено$ вской спектрометрии диапазон применения в отношении легких элементов рас$ ширился вплоть до бора, а способность к обнаружению значительно улучшилась. При регистрации более легких элементов решающее значение приобрели новые концепции рентгеновских трубок для возбуждения, кристаллов$анализаторов и детекторов. Эффективность большинства детекторов, используемых для рентгенофлуорес$ центного анализа, составляет от 50 до 90% и зависит от длины волны. У спектро$

472

Глава 14. Рентгенофлуоресцентный анализ

метров последовательного действия оптимальный выбор детектора зачастую не реализуем. Здесь приходится искать определенный компромисс с учетом относи$ тельно большого интервала длин волн. В отношении приборов этого типа наме$ чается тренд использования газовых пропорциональных счетчиков в количестве более одного. Это позволило бы оптимизировать процесс определения всей гам$ мы элементов, которые в настоящее время регистрируются с применением газо$ вых проточных детекторов. В спектрометрах одновременного действия можно оптимизировать детектор для каждого отдельного элемента. Здесь используются газовые пропорциональные счетчики с Не, Ne, Kr и Хе$наполнением, а также сцинтилляционные счетчики. При правильном выборе подходящих материалов для окон и соответствующего газового наполнителя достигается высокий процент поглощения интересующего излучения в детекторе, причем через окно отфильт$ ровывается флуоресценция кристалла, а излучение с отражением более высокого порядка проходит через детектор. Оптимальный выбор детекторного газа попут$ но решает и многие другие проблемы, связанные с переходами. Газовый пропорциональный сцинтилляционный счетчик открывает перспек$ тивы значительного повышения уровня техники детектирования. В счетчике тако$ го типа газ ионизируется рентгеновским излучением. Электрическое поле, находя$ щееся между двумя проволочными электродами, ускоряет электроны, которые, стал$ киваясь, возбуждают атомы газа, а те при последующем переходе в основное состо$ яние излучают ультрафиолет. Это излучение регистрируется сцинтилляционным счетчиком либо фотоионизационным детектором. Данный тип детектора откры$ вает новые возможности для улучшения энергетического разрешения. Высокая разрешающая способность газового пропорционального сцинтилляционного счет$ чика для излучения легчайших элементов представляет особый интерес еще и потому, что с его помощью такие элементы, как бор и углерод, можно определять без применения кристалла. Корректировки, особенно в отношении матричных эффектов, в будущем пред$ полагается вычислять методом фундаментальных параметров. В настоящее время в этом плане существует серьезное ограничение по причине недостаточного быс$ тродействия используемых ЭВМ. С внедрением новых типов процессоров такое ограничение должно быть снято. Сейчас вычисление поправок проводится пре$ имущественно по фундаментальным параметрам не совсем стандартных задач. При этом могут анализироваться пробы, для которых нет или почти нет требуе$ мых стандартов. Главным источником погрешностей остается неточное знание весового коэффициента поглощения. Самым надежным способом все еще счита$ ется калибровка с подходящими стандартами, причем здесь находят применение полученные опытным и теоретическим путем альфа$коэффициенты. В этом слу$ чае ненадежность в определении элементов сводится к ошибкам в процессе под$ готовки проб и погрешностям в химических характеристиках стандартов. Поскольку за последние годы появилось множество технических и программ$ ных средств обработки информации, предназначенных для спектральных прибо$ ров, приборостроители стараются так рассчитывать свое оборудование, чтобы можно было использовать сразу несколько числовых моделей анализа. Этим обес$ печивается необходимая при разработке метода оптимизация математического

14.14. Резюме и перспективы развития рентгенофлуоресцентного анализа

473

вычисления концентрации по данным измерения после соответствующей калиб$ ровки, и тогда важная роль отводится как числу имеющихся в распоряжении стан$ дартов, так и числу содержащихся в них элементов. Чрезвычайно низкие пределы обнаружения до уровня пг$единиц достигают$ ся при рентгеновской флуоресценции с полным внутренним отражением. Так как в случае рентгенофлуоресцентного анализа проб небольших объемов рассеянное излучение вызывается почти исключительно носителем пробы, то это влияние может быть в значительной мере сглажено за счет полного внутреннего отраже$ ния первичного излучения на отполированных до зеркального глянца носителях. Но преимущества такого метода ультраследовой аналитики удается реализовать только при условии, что проба будет представлена в форме раствора или хотя бы сверхтонкой суспензии и нанесена тончайшим слоем на максимально ровный носитель из кварца, плексигласа или углеродного стекла. Для полного отражения рентгеновских лучей требуются углы падения всего в несколько дуговых минут; излучение флуоресценции измеряется тогда под углом 90° к поверхности пробы. Для проведения микроисследований рентгенофлуорес$ центный анализ с полным внутренним отражением, как он в настоящее время предлагается на коммерческом уровне, представляется весьма эффективным ме$ тодом. Он позволяет при определении примерно 70 элементов обнаруживать без разрушения образцов абсолютные объемы от 2 до 20 пг.

ÃËÀÂÀ 15 ÌÅÒÎÄÛ ÀÍÀËÈÇÀ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÈ Профессиональные химики$аналитики относятся к категории людей, которые редко бывают полностью удовлетворены полученным результатом. Когда много лет назад стала популярна растровая электронная микроскопия и утихли первые восторги по поводу прекрасных трехмерных изображений, все чаще стал подни$ маться вопрос о том, что вообще$то хотелось бы увидеть нечто большее, то есть речь зашла о химическом составе той или иной частицы. В итоге растровая мик$ роскопия получила вскоре дополнительное оснащение в виде специальных при$ ставок для проведения микроанализов (рентгеновский микроанализатор с дис$ персией по энергии). Только$только укоренилась мысль о возможности анализи$ ровать частицы диаметром в несколько микрометров, то есть определять их со$ став на уровне содержащихся в них химических элементов и, следовательно, получать ответы на вопрос, в каком месте поверхности какой элемент находится, как неугомонные аналитики уже высказали новое желание. Теперь им хотелось бы знать, а сколько именно каждого элемента содержится в той или иной точке поверхности. На этот раз прошло почти 10 лет, пока исследователи в полной мере овладели количественным рентгеновским микроанализом с дисперсией по энергии. Все ли пожелания этим были выполнены? – Отнюдь нет! Немедленно были подняты новые проблемы: теперь активно обсуждалась тема анализа тонких слоев. На этом фоне появился некто, производящий релейные контакты для Германии, предъя$ вил две группы контактов и поинтересовался, почему одна из них обладает зна$ чительно более высоким переходным электрическим сопротивлением. Тогда были проведены все необходимые испытания с растровым электронным микроскопом и выполнены рентгеновские микроанализы с дисперсией по энергии (Energy Dspersive Analysis of X$rays, EDAX), но это не дало никакого результата – причина не была найдена. Тем не менее было высказано предположение, что поверхность контактов могла быть покрыта сверхтонким слоем, лежащим ниже предела обна$ ружения данного метода. Годы спустя это предположение подтвердилось благо$ даря Оже$электронной спектроскопии: на поверхности было обнаружено серни$ стое соединение толщиной 3 нм. Свойства поверхности в полной мере определяют возможную область при$ менения того или иного материала, но они отвечают также за внешний вид из$ делия. В центре интереса специалистов по материаловедению находятся разра$ ботки металлических материалов, сенсорных материалов, керамики, стекла, сверхпроводников, полупроводников, изоляторов и ферроэлектриков. Точное знание процессов, протекающих на поверхности материалов, обеспечивает их целенаправленное улучшение и оптимизацию технологических операций. При

Методы анализа поверхности

475

этом удается уже в начальной стадии распознать и исключить возможные ис$ точники погрешностей. Методы анализа поверхностей и границ раздела требуются также при катали$ зе и адсорбции для получения информации о механических свойствах материа$ лов или их поведении при разных применениях. Поверхности материалов все чаще подвергаются предварительной механической обработке, химическим модифи$ кациям, покрытиям разного рода и структурированию с целью повышения тре$ буемых для конкретного назначения свойств – сцепления, трения, коррозион$ ной стойкости и т.д. Для изучения структур, состава и физико$химических свойств веществ требуется точная характеристика их поверхности. Аналитика поверхнос$ ти является поэтому важным дополнением к известным способам испытания ма$ териалов [15.1]. Но что понимать под термином «сверхтонкий» и что есть вообще «поверх$ ность»? В общем употреблении этим словом обозначают тонкий наружный слой, а также цвет, блеск или шероховатость заготовки. Таким образом, любую поверх$ ность представляют только в сочетании с некоей конечной толщиной. К сожале$ нию, данное понятие не стандартизовано, так что подразумеваемая «толщина» зависит от того, к какому разделу науки или производственной отрасли она отно$ сится и где это понятие используется. Скажем, механик увидит в поверхности материалов определенные отклоне$ ния в форме волнистости или шероховатости как результат механической обра$ ботки. Если взять химический состав, то он отличается от материала объема на порядок величины и до нескольких мкм. Специалист по растровой электронной микроскопии, говоря о шероховатости поверхности, имеет в виду диапазон от 10 до 100 нм, а если поинтересоваться у физиков, то окажется, что те понимают под термином «поверхность» первую пару атомных слоев, которые не достигают и одного нанометра. Чаще всего слово «поверхность» применяется для обозначения наружного или граничного слоя, отделяющего заготовку от окружающей среды либо другого, гра$ ничащего с ним материала. Толщина этого слоя определяется соответствующи$ ми, технологически важными, свойствами и процессами и может варьировать в диапазоне от нанометров до микрометров. Первый атомный слой обычно несет ответственность за адгезионную способность, смачиваемость, катализ и биопе$ реносимость, в то время как коррозионные процессы развертываются на уровне нескольких нанометров. Такие оптические свойства поверхности, как глянец и шероховатость, определяются только через слой толщиной примерно 100 нм. Если классические способы испытания материалов и, соответственно, дефек$ тоскопии предназначены для определения разного рода вторичных свойств мате$ риала или изделия, то в случае аналитики поверхности получают информацию о микроскопической структуре материи, то есть о химии, топографии и строении микрозон. Методами анализа поверхности, о которых далее мы поговорим более подробно, можно регистрировать слои толщиной от 0,1 до 10 нм, а при использо$ вании приемов, основанных на съеме поверхности, удается анализировать и слои толщиной почти до 1 мкм.

Глава 15. Методы анализа поверхности

476

15.1. Методы анализа поверхности Как же функционируют методы физической аналитики? Подлежащая исследованию проба возбуждается с помощью зонда, выбранного с учетом интересующей исследо$ вателя информации. Подобной зондовой технике требуется первичное излучение для бомбардировки пробы. В качестве первичного излучения находят применение: • • • •

электроны, ионы, рентгеновские лучи и свет.

Как следствие этого возбуждения от пробы исходит вторичное излучение, ко$ торое затем анализируется. При этом проба также может посылать электроны, ионы, рентгеновские кванты или световые лучи в качестве ответной реакции либо даже множество таких частиц одновременно (рис. 15.1). Теперь экспериментатор выбирает один или несколько детекторов, определяя тем самым, какие из излучаемых пробой частиц он намерен анализировать. Если допус$ тима любая из возможных комбинаций, то получают квадратную схему с 16 полями, в которую теперь заносятся условные обозначения аналитических методов, чтобы из множества способов вывести определенную систематику. Таблица 15.1 ограничива$ ется лишь наиболее известными методами и не претендует на завершенность. Количество таких методов давно превысило 50 и, к сожалению, их названия не унифицированы. Существует две причины возможного непонимания: ряд иден$ тичных способов носит разные названия (например, рентгеновский микроана$ лиз и электронно$зондовой микроанализ) или разные способы имеют одинако$ вое название. Ситуация усложняется еще и тем, что некоторые способы в немец$ ком языке обозначены совсем иначе, чем в английском. Излучение

еи

ктр

оны

уч

ен

ие

тек тор

а эл нал ек из тр ат он ор ов

ки й ес

р

ет

ич

ко

зл

Эле

нов тге

вс

ге т

но

Рен

ге

ер

нт

 сс

ом тр

ек

сп

Эн

Ре

ие

ски

ен

й де

уч зл и УФ

Ионы

Возбуждение

Ма

Проба

Рис. 15.1. Возможности возбуждения и излучения поверхностей твердых тел

15.1. Методы анализа поверхности

477

Òàáëèöà 15.1. Îáçîð âàæíåéøèõ ìåòîäîâ àíàëèçà ïîâåðõíîñòè Ñïîñîá âîçáóæäåíèÿ Ýëåêòðîíû

Ýëåêòðîíû SEM, TEM, STEM, ELS, LEED\HEE D/RHEED

Èîíû Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è ESCA/XPS Ñâåò ESCA/UPS Ñïîñîáû ïîëó÷åíèÿ èçîáðàæåíèÿ SEM Ðàñòðîâàÿ ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ TEM Ïðîñâå÷èâàþùàÿ ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ STEM Ðàñòðîâàÿ ïðîñâå÷èâàþùàÿ ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ CL Êàòîäîëþìèíåñöåíöèÿ PHEEM Ôîòîýìèññèîííàÿ ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ

Èîíû ESID

Ñïîñîá îáíàðóæåíèÿ Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è ESMA/EDX

Ñâåò CL

SIM/IMMA PIXE OES, ëàçåðíûé LAMMA RFA, SRD çîíä, çîíä Ðàìàíà Ñïîñîáû àíàëèçà AES Îæå-ýëåêòðîííàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ SAM

Ðàñòðîâàÿ Îæå-ìèêðîñêîïèÿ

ESCA

Ýëåêòðîííàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ äëÿ õèìè÷åñêîãî àíàëèçà Ñïåêòðîñêîïèÿ ïîòåðü ýíåðãèè Äèôðàêöèÿ ýëåêòðîíîâ íèçêîé ýíåðãèè Äèôðàêöèÿ ýëåêòðîíîâ âûñîêîé ýíåðãèè

ELS LEED HEED RHEED

Äèôðàêöèÿ îòðàæåííûõ ýëåêòðîíîâ âûñîêîé ýíåðãèè

ESID

Ýëåêòðîííî-ñòèìóëèðîâàííàÿ äåñîðáöèÿ èîíîâ Èîííî-çîíäîâûé ìàññ-ñïåêòðàëüíûé àíàëèç Ðåçåðôîðäîâñêîå îáðàòíîå ðàññåÿíèå èîíîâ Ìàññ-ñïåêòðàëüíûé àíàëèç ñ ëàçåðíûì ìèêðîçîíäîì Èíäóöèðîâàííàÿ ïðîòîíàìè ðåíòãåíîâñêàÿ ýìèññèÿ Ðåíòãåíîôëóîðåñöåíòíûé àíàëèç Ðåíòãåíîâñêàÿ äèôðàêöèÿ Ðåíòãåíîâñêàÿ ôîòîýëåêòðîííàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ Ýíåðãî-äèñïåðñèîííûé ðåíòãåíîâñêèé àíàëèç Îïòè÷åñêèé ýìèññèîííûé àíàëèç Ôîòîýëåêòðîííàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ ñ âîçáóæäåíèåì ÓÔ-ñâåòîì Ìàññ-ñïåêòðîìåòðèÿ âòîðè÷íûõ èîíîâ Cïåêòðîñêîïèÿ èîííîãî ðàññåÿíèÿ Ýëåêòðîííî-çîíäîâûé ìèêðîàíàëèç

IMMA RIBS LAMMA PIXE RFA XRD XPS EDÀX OES UPS SIMS ISS ESMA

Из приведенных в табл. 15.1 способов выбраны для подробного обсуждения лишь те, которые уже прошли стадию проверки на лабораторном уровне и вне$ дрены как стандартные методы исследования. Рассматриваемые методы анализа поверхности различают с точки зрения следующих характеристик: • • • • • •

информационная глубина, недеструкционность, предел обнаружения, локальная разрешающая способность, поддающаяся обнаружению область элементов и пригодность для количественных определений.

Глава 15. Методы анализа поверхности

Информационная глубина

478

Адсорбированные газовые и примесные слои (Н2О, О2, CnHm)

Окисленные слои

Основной материал, монолит

Рис. 15.2. Информационные глубины разных методов анализа поверхности по срав$ нению с рентгеновским микроанализом

Весьма важным параметром представляется информационная глубина: име$ ется в виду та глубина, из которой поступают анализируемые частицы. Методы анализа собственно поверхности отличаются тем, что их информационная глу$ бина на 3–4 порядка меньше, чем при рентгеновском микроанализе, а это значит, что они пригодны для регистрации слоев, более тонких на 3–4 десятичных по$ рядка. Рисунок 15.2 демонстрирует это в схематическом изображении. Располо$ женная по центру полосы более темная зона должна означать, что информацион$ ная глубина не есть величина постоянная, но зависит от многих параметров, на$ пример от энергии падающих частиц и, естественно, от вида самого материала. С учетом малой информационной глубины при способах анализа поверхности весьма важную роль играют условия ультравысокого вакуума, поскольку отдель$ ные виды излучения в большинстве случаев активно поглощаются воздухом. Кро$ ме того, необходимо избегать появления на поверхности отложений из остаточных газов. Для надежной работы сейчас предлагаются вакуумные системы с диапазо$ ном до 10–8 Па. Из приведенного рисунка видно, что любая проба, находившаяся до сих пор в природном окружении, имеет на своей собственной поверхности по$ крытия, которые невозможно удалить даже путем предварительной очистки в уль$ тразвуковой ванне. Речь идет при этом о прочно сцепленных слоях из воды и угле$ водородов, с хемосорбцией, не исчезающих даже в условиях высокого вакуума. Здесь не поможет ни нагревание, ни ионная бомбардировка. Под этим слоем загрязнения находится в большинстве случаев более или менее тонкий окислен$ ный слой, и только через него можно прорваться к основному материалу. Эта слои$ стая зона часто вызывает наибольший интерес – независимо от того, стоит ли зада$ ча определения толщины окисленного слоя или обнаружения примесных слоев.

15.2. Рентгеновский микроанализ с дисперсией по энергии Заполненный мономолекулярный слой

479

Объемная концентрация 3 ⋅ 10–6

Одинаковые сигналы для электроннозондового микроанализа

Рис. 15.3. Пример, демонстрирующий значение информационной глубины при анализе поверхности

На рис. 15.3 показано для примера, насколько важно иметь в распоряжении аналитический метод с малой информационной глубиной. Допустим, у нас есть две разные пробы, которые имеют в самом верхнем слое толщиной 1 мкм одина$ ковую концентрацию примесных атомов, по$разному распределенных в пробе (на рисунке эти атомы обозначены кружками). Анализ, проведенный с помощью рентгеновского микрозонда, даст для этих двух столь разных проб измеряемый сигнал одинаковой величины, что приводит к выводу, что обе пробы по их химическому составу абсолютно идентичны. Тако$ выми они и являются – при интегральном рассмотрении, но не с точки зрения их глубинного распределения. Если теперь на обеих пробах провести анализ повер$ хности, то получится два абсолютно отличающихся друг от друга спектра, кото$ рые со всей очевидностью докажут, что примесный элемент у одной из проб со$ средоточен на поверхности.

15.2. Рентгеновский микроанализ с дисперсией по энергии Вторичные электроны, возникшие в результате электронной бомбардировки про$ бы, позволяют получить в растровом электронном микроскопе (Scanning electron microscope, SEM) изображение поверхности объекта с высокой глубиной резкос$ ти и разрешающей способностью по горизонтали от 5 до 7 нм. Электронный луч фокусируется и растровым способом сканирует поверхность пробы. Интенсив$ ность генерируемых вторичных электронов – в зависимости от распределения элементов, поверхностного рельефа вещества и структуры кристалла – использу$ ется для отображения пробы. Центральным узлом растрового электронного микроскопа является электрон$ но$оптическая колонна, которая служит для получения тонкофокусного элект$

480

Глава 15. Методы анализа поверхности

ронного луча. В верхней части колонны находится электронная пушка, состоя$ щая, как правило, из вольфрамового игольчатого катода, который в результате термоэмиссии излучает электроны1. Цилиндр Венельта, обладающий относитель$ но катода отрицательным потенциалом около 100 В, возбуждает поток электро$ нов. Анод ускоряет выходящие электроны и придает им желаемую энергию. Бла$ годаря подходящему формообразованию цилиндр Венельта обеспечивает концен$ трацию пучка электронов в непосредственной близости от анодной диафрагмы – так называемый кроссовер, с диаметром от 20 до 50 мкм. Электронная оптика, состоящая из двух$трех магнитных линз и системы диафрагм, уменьшает кроссо$ вер до требуемого диаметра пучка и отображает его на поверхности. Снизу к электронно$оптической колонне примыкает камера образца со спе$ циальным шлюзовым устройством, служащим для доставки анализируемого ве$ щества в находящуюся под вакуумом систему. В камере образца находится гонио$ метр, позволяющий движение пробы в направлениях х, y и z. Хорошие гониомет$ ры обеспечивают наклон препарата относительно оптической оси системы, а также его вращение. Снаружи гониометра с целью перемещения объекта в камере име$ ются детекторы для обратнорассеянных, вторичных и поглощенных электронов, а также для возможности подключения спектрометров с дисперсией по длине вол$ ны и по энергии. В зависимости от типа прибора, до или после электронной линзы, встраива$ ется пара отклоняющих катушек. Их задачей является отклонение электронного пучка в направлениях х и у, вследствие чего становится возможным растрирова$ ние объекта. Растровый генератор заботится о том, чтобы электронный пучок проводился через пробу синхронно с лучом электронно$лучевой трубки. Тогда определенная точка на пробе будет соотноситься с соответствующей точкой на экране. Сигналы, генерируемые в результате взаимодействия электронов с мише$ нью, регистрируются детекторами, затем усиливаются и наконец подаются для формирования изображения. Для отображения поверхности пробы отлично под$ ходят прежде всего вторичные электроны. В силу низкой энергии около 50 эВ они исходят от зоны, очень близкой к поверхности. Хотя пучок первичных электро$ нов способен проникнуть в пробу на глубину до нескольких микрометров, вто$ ричные электроны возникают в непосредственной близости от ее поверхности. Максимальная глубина, из которой могут исходить вторичные электроны, состав$ ляет у металлов примерно 5 нм, а у изоляторов около 50 нм [15.3]. Используемый в растровом электронном микроскопе пучок первичных элек$ тронов, который проникает в поверхность пробы на глубину нескольких микро$ метров и одновременно возбуждает атомы в близком к поверхности объеме для элементно$характеристической рентгеновской эмиссии, служит для определения химического состава отображенного участка пробы (рис. 15.4). Спектральное раз$ ложение может осуществляться, во$первых, путем анализа с дисперсией по длине волны и, во$вторых, путем анализа с дисперсией по энергии. При этом метод с дисперсией по энергии – именно благодаря возможности проведения быстрого качественного анализа содержащихся в пробе элементов – оказался идеальным 1

Лучшим катодным материалом является LaB6. – Прим. ред.

15.2. Рентгеновский микроанализ с дисперсией по энергии

Цилиндр Венельта

481

Катод

Диафрагма конденсора

Анод

Конденсор Диафрагма объектива Объектив

Растровый генератор

Сканирующие катушки Детектор вторичных электронов

Рентгеновский детектор

Проба

Рис. 15.4. Блок$схема растрового электронного микроскопа с узлом для рентгенов$ ского анализа с дисперсией по энергии

дополнением к растровому электронному микроскопу. Возможная область при$ менения такого сочетания простирается от исследования материалов и конструк$ ций до изучения однородности и анализа включений и загрязнений в самых раз$ ных веществах, в том числе в металлах, сплавах, полупроводниках. Падение электронного пучка на поверхность пробы вызывает, наряду с воз$ буждением разного вторичного излучения, возникновение рентгеновского излу$ чения двух видов – тормозного и характеристического. Из непрерывного спектра тормозного излучения нельзя получить никакой информации относительно уча$ ствующих в процессе элементов. В случае чисто качественного анализа непре$ рывный спектр рентгеновского излучения далее уже не учитывается, а вот при количественном анализе эта часть рентгеновского спектра подлежит удалению подходящими вычислительными методами [15.4].

15.2.1. Качественный рентгеновский анализ При рентгеновской системе с дисперсией по энергии успешно распознаются все элементы Периодической системы вплоть до натрия (Z = 11). Чувствительность обнаружения варьирует здесь в зависимости от порядкового номера исследуемо$ го элемента, причем для высоких номеров она выше. Пределы обнаружения у сред$ нетяжелых элементов составляют порядок величины на уровне 1000 миллионных долей. Существуют разные возможности регистрации и представления рентгено$ вских спектров и рентгенограмм, которые позволяют в первую очередь получить качественную информацию касательно элементного состава пробы. Здесь разли$ чают анализы всей или только части (отдельных мест) поверхности, а также ото$ бражения распределения элементов и форм спектральных линий [15.5]. При анализе всей или локальной поверхности пробы выбранные зоны пере$ крываются пучком первичных электронов и излучаемые при этом кванты рент$

482

Глава 15. Методы анализа поверхности

геновского излучения проходят через детектор и используются для построения рентгеновского спектра. Локальный анализ служит преимущественно для харак$ теристики включений или отложений. При этом разрешающая способность по горизонтали в случае компактных проб находится в области диаметра облака диф$ фузии электронов, а именно около 1 мкм. Следовательно, надо иметь в виду, что по причине столь ограниченного разрешения обычно оказывается невозможен сам по себе анализ включений < 1 мкм. И еще один важный момент следует иметь в виду при интерпретации рентге$ новских спектров: речь пойдет об эффектах затенения у сильно расколотых по$ верхностей. Наличие глубоких трещин может привести к тому, что определенные элементы в спектре окажутся полностью «стертыми», если они для детектора бу$ дут находиться в «тени» возвышения либо, в другой ситуации, будут резко выде$ ляться на фоне окружения. При получении изображений распределения элементов используется интен$ сивность предварительно установленной рентгеновской спектральной линии (окна) для модуляции яркости экрана растрового электронного микроскопа, в то время как пучок первичных электронов растрирует выбранный участок поверх$ ности пробы (поверхностный растр). Подобное изображение элементного рас$ пределения обеспечивает – обязательно именуемую количественной – иденти$ фикацию различий в материале пробы как объекте исследования. Аналогично созданию такой картины распределения элементов, можно пред$ принять медленное растрирование вдоль любой линии в направлении х (линей$ ный растр) и получить на экране электронного микроскопа изображение интен$ сивности характеристической рентгеновской линии определенного элемента в виде модулируемого в направлении оси у сигнала. Такой способ линейного ана$ лиза дает так называемый профиль распределения концентрации, при котором на «качественном» уровне отображается статистическое распределение элемента вдоль рассматриваемого участка.

15.2.2. Количественный анализ В то время как при качественном рентгеновском анализе чаще всего приходится довольствоваться демонстрацией вида и распределения находящихся в пробе эле$ ментов, количественный анализ дает возможность получить с помощью вычис$ лительной системы и разного рода числовых моделей точные данные концентра$ ции. В зависимости от используемого формализма необходимо либо ввести в ЭВМ дополнительные сведения о спектре пробы, либо – при определенных обстоя$ тельствах – дополнительно записать спектры сравнения самых чистых элементов веществ, содержащихся в пробе. Эти так называемые стандарты в качестве опор$ ных значений войдут затем в расчеты коррекции. При этом во всех вычислениях исходят в первом приближении из линейной зависимости между концентрацией с и интенсивностью рентгеновского излучения I. Без стандарта могут проводиться полуколичественные анализы с типичной неопределенностью ±10% концентрации в атомных и весовых процентах. С гра$ дуировочными стандартами возможны количественные анализы с ±1% концент$ рации в атомных или весовых процентах.

15.4. Оже"электронная спектроскопия

483

15.3. Индуцированная протонами рентгеновская эмиссия Если ионизация атома в одной из внутренних оболочек осуществляется не элект$ ронами, а путем бомбардировки высокоэнергетическими протонами с последую$ щей рентгеновской эмиссией, то речь идет об индуцированном протонами ис$ пускании рентгеновских лучей (Proton Induced X$ray Emission, PIXE). Преимуще$ ства этого метода состоят в возможности фокусировать в диаметре пучок прото$ нов посредством диафрагм и магнитных квадрупольных линз примерно до 1 мкм. С такой разрешающей способностью по горизонтали протонный луч может рас$ трироваться затем с помощью отклоняющих магнитов. В случае многоэлемент$ ного метода могут регистрироваться все элементы, начиная от порядкового но$ мера Z = 2, с чувствительностью обнаружения до миллионных долей. С точнос$ тью около 10% определяется состав пробы после предварительной градуировки без ссылки на внутренние или внешние стандарты и без специальной подготовки по принципу «мокрой» химии. Информационная глубина зависит от матрицы и составляет порядка 10–30 мкм [15.6]. Методом индуцированного протонами испускания рентгеновских лучей удает$ ся с хорошей точностью анализировать образцы твердых веществ малой массы и небольшого размера, пучок протонов может использоваться также как способ, не$ сущий изображение, для получения картины элементного распределения с микро$ скопическим разрешением. Необходимые для этой цели протоны генерируются в тлеющем разряде водорода и должны ускоряться затем до энергии от 2 до 4 МэВ. Однако потребность в соответствующем (очень дорогом!) ускорителе тормозит рас$ пространение описанного способа анализа.

15.4. Оже%электронная спектроскопия На основе Оже$электронной спектроскопии можно анализировать практически все (кроме водорода и гелия) элементы в области поверхности твердых тел, и в сочетании с ионным травлением инертным газом определять зависимость кон$ центрации от глубины. При этом возможно получение информации о состоянии связи. Данный метод пригоден в принципе для всех твердых проб, а для изолято$ ров или, соответственно, непроводящих слоев – с определенными ограничения$ ми с учетом зарядов. У метода Оже$электронной спектроскопии первая часть процесса идентична таковой при рентгеновском микроанализе, но освобождающаяся здесь энергия передается третьему электрону, получающему в результате этого достаточно энер$ гии для разрыва атомной связи. Это явление было открыто в 1925 г. французским естествоиспытателем П. Оже. Названный его именем Оже$электрон отлетает за$ тем с определенной скоростью, для измерения которой требуется электронный спектрометр [15.7]. Когда ударный электрон с достаточно большой энергией ионизирует электрон$ ную орбиталь с энергией ЕK вблизи атомного ядра, то при наличии незаселенного теперь энергетического уровня немедленно индуцируется переход другого электрона

484

Глава 15. Методы анализа поверхности

KLILIIОжеэлектрон

Возбуждение

Девозбуждение

Конечное состояние

Рис. 15.5. Графическое представление Оже$процесса

(например, L1 в К). Высвобождающаяся при этом переходе энергия (ЕK – EL1) пред$ стает в виде характеристического рентгеновского излучения. Но она может быть пере$ несена и на другой электрон (например, в энергетическом уровне LIII) (см. рис. 15.5). Электрон из этого энергетического уровня покидает атом с кинетической энергией: Екин. = ЕК – EL1 – ELIII. Энергии Оже$электронов есть свойство материи и не зависят от энергии воз$ буждающего электронного луча. Это означает, что энергия Оже$электрона имеет для каждого элемента свою специфичную величину, следовательно, определив эту энергию, можно определить и элемент. Так как в Оже$процессе участвуют три электрона, можно сделать вывод, что водород и гелий не способны к эмиссии Оже$электронов. У элементов с высоким порядковым номером преобладает возбуждение рентгеновского кванта, а у более легких элементов чаще происходит Оже$электронная эмиссия. Таким образом, Оже$электронная спектроскопия обладает большим преимуществом по сравне$ нию с рентгеновским микроанализом, обеспечивая именно для интересующих легких элементов В, C, N и О особенно высокую вероятность возбуждения. Как известно, в случае рентгеновского микроанализа эти элементы могут быть обна$ ружены только с применением особых искусственных кристаллов. Первичная ионизация осуществляется любыми приемами возбуждения, но са$ мым надежным считается метод с использованием электронов. Это объясняется прежде всего легко реализуемым изменением интенсивности и энергии электрон$ ного луча, его хорошей фокусируемостью и возможностью работы в растровом ре$ жиме. У разных типов приборов разрешающая способность по горизонтали состав$ ляет от 10 до 50 нм и зависит от фокусировки электронного пучка. Предел обнару$ жения достигает почти 0,01 атомного%. Оже$электронная спектроскопия осуще$ ствляется в ультравысоком вакууме [15.8]. Рисунок 15.6. демонстрирует снимок Оже$спектра для серебра. Производная dN/dE приведена, кроме прочего, для более наглядного изображения положения максимумов, имеющихся в кривой распределения энергии. С использованием гра$

15.4. Оже"электронная спектроскопия

485

Амплитуда

Энергия электронов, эВ

Рис. 15.6. Распределение энергий N(E) и dN(E)/dE для серебра

дуировки могут быть проведены количественные измерения. Определять соеди$ нения по спектрам удается лишь в ограниченном объеме. Органические молеку$ лы менее пригодны для Оже$анализа, поскольку при электронной бомбардиров$ ке разрушаются валентности связи. Информационная глубина при Оже$электронной спектроскопии составляет всего несколько нанометров, так как низкоэнергетические электроны не отлича$ ются большим пробегом. Точнее так: проникающим электронным лучом Оже$элек$ троны могут генерироваться и на больших глубинах, но они уже не попадают на поверхность, значит, не могут выйти из нее и быть зарегистрированы детектором. На рис. 15.7 показан Оже$спектр поверхности плохо промытого алюминиевого листа после травления. На поверхности (информационная глубина около 2 нм) присутствуют элементы S, Cr, O, Na и Al. Речь идет, таким образом, о слое Al2O3 с вкраплениями Na$хромата и серы как результат плохой промывки. Оже$электронную спектроскопию нередко используют в сочетании с ионным распылением инертного газа (ion$sputtering), именуемым также ионным травле$ нием. В качестве инертного газа выбирают чаще всего аргон. Для травления по$

Энергия электронов, эВ

Рис. 15.7. Оже$электронный анализ плохо промытого листа алюминия

486

Глава 15. Методы анализа поверхности

Первичный ионный пучок

Электронный пучок Вторичные частицы

Поверхностная пленка

Металл

Рис. 15.8. Принцип Оже$анализа с профилем глубины Атомных %

Время распыления, мин.

Рис. 15.9. Оже$электронный профиль глубины алюминиевого листа

верхностного слоя прибегают к ионной бомбардировке. Состав экспонируемого при этом атомного слоя в образовавшейся полости прослеживается как функция времени. При известной скорости травления отсюда вычисляется характер кон$ центрационной кривой как функция глубины. Это называют также профилем глу$ бины Оже$электронной спектроскопии и используется для определения толщи$ ны тонких слоев. Ионное распыление может осуществляться непрерывно в тече$ ние всего процесса измерения либо с определенными интервалами (рис. 15.8). Рисунок 15.9 показывает Оже$электронный профиль глубины алюминиевого листа до 40 нм. Падение кривой кислорода (О) и подъем кривой алюминия (Al) характеризуют «конец» или, соответственно, толщину слоя Al2O3. Таковой состав$ ляет около 15 нм и определяется снижением концентрации О при половине кон$ центрации кислорода на поверхности [15.9].

15.4.1. Растровый Ожемикроскоп Оже$сигналы могут использоваться и для получения изображений. Тогда говорят о растровом Оже$микроскопе (scanning auger microscope, SAM), с помощью кото$ рого можно получать изображения распределения элементов. Растровая Оже$мик$ роскопия является усовершенствованным вариантом Оже$электронной спект$

15.5. Электронная спектроскопия для химического анализа

487

рометрии, где моноэнергетический пучок первичных электронов сканирует про$ бу растровым способом, причем только интересующие в отношении конкретного элемента характеристические вторичные электроны определенной энергии при$ влекаются для создания электронно$микроскопического изображения поля кон$ центрации на поверхности. Дополнительно можно также определять элементный состав в любой точке полученного с помощью растрового электронного микро$ скопа изображения Оже$спектров – как изменение концентрации элемента вдоль выбранной линии (line scan). При этом предел обнаружения, глубина регистра$ ции и разрешающая способность по горизонтали соответствуют таковым при Оже$ электронной спектроскопии [15.10].

15.5. Электронная спектроскопия для химического анализа Электронная спектроскопия для химического анализа (Eectron Sectroscopy for Cemical Aalysis, ESCA) имеет еще одно название – фотоэлектронная спектроско$ пия, поскольку в основе ее лежит фотоэффект, наблюдаемый при облучении ма$ терии рентгеновскими или УФ$лучами. Это метод функционирует без разруше$ ния образца, с информационной глубиной в несколько нанометров, что позволя$ ет также проводить определения органических соединений и полимеров. Данный способ измерения базируется на индуцированной излучением эмиссии электро$ нов, спектроскопируемых соответственно их кинетической энергии. При этом могут детектироваться все элементы, кроме водорода и гелия [15.11]. Речь идет не о чем ином, как о классическом фотоэффекте по Ленарду и Эйнш$ тейну: чистая металлическая поверхность облучается УФ$светом или квантами рен$ тгеновского излучения с последующей электронной эмиссией. Удивившим всех ре$ зультатом данного эксперимента было то, что с повышением силы облучающего света возрастает не энергия электронов, а только их число. Энергия же покидаю$ щих поверхность металла электронов зависит от длины волны падающего излуче$ ния. Это открытие не отвечало тогдашним представлениям, и «странный» эффект предположительно объясняли тем, что излучение света происходит в квантах, а энергия каждого кванта есть целочисленное кратное кванта действия h: E = hν. Наблюдение фотоэлектронной спектроскопии было впервые описано шведа$ ми К. Зигбаном и К. Эдварсоном еще в 1956 г. [15.12], но лишь к середине 60$х годов этот способ приобрел достаточную известность. Зигбан за свои заслуги в области электронной спектроскопии получил в 1981 г. Нобелевскую премию по физике – совместно с двумя американскими учеными, отмеченными за развитие лазерной спектроскопии. В случае фотоэлектронной спектроскопии каждый электрон, стремящийся по$ кинуть атомную связь, должен сначала забрать энергию связи у атома. Все, что будет сверх нее, используется затем как энергия движения (Екин). В первом при$ ближении действительно следующее простое отношение: Екин. = hν – Есв., где Есв. есть энергия связи.

488

Глава 15. Методы анализа поверхности

Поскольку длина волны – а с ней и энергия – падающего излучения извест$ ны, а кинетическую энергию электронов можно измерить с помощью анализато$ ра энергии электронов, то по приведенному выше уравнению легко вычислить энергию связи. Кинетическая энергия фотоэлектронов является характеристи$ ческой для элементов в имеющихся у них состояниях связи. Но это справедливо лишь в том случае, если электрон не претерпевает неуп$ ругих столкновений внутри твердого тела. Средняя глубина выхода электронов без потери энергии из$за столкновений есть функция энергии электронов, и для фотоэлектронов она находится в диапазоне от 0,5 до 5 нм. Измерение осуществ$ ляется в высоком вакууме. Здесь преобладают исследования твердых веществ, а измерения жидкостей и газов возможны с использованием специальных мето$ дик. Основную область применения составляет исследование электронного стро$ ения валентного и остовного уровней [15.13]. • Если для возбуждения используется УФ$излучение, то говорят об УФ$фо$ тоэлектронной спектроскопии. • Если же применяют источник рентгеновского излучения, то такой метод на$ зывают рентгеновской (или Х$лучевой) фотоэлектронной спектроскопией. В то время как аналитический предел обнаружения в зависимости от порядко$ вого номера элемента находится в объеме около 0,1%, в аналитике поверхности удается обнаружить даже меньше, чем один монослой. Такая поверхностная чув$ ствительность обусловливает большой спрос на этот метод при исследовании фи$ зико$химических феноменов на граничных и верхних плоскостях, в том числе яв$ лений окисления, адсорбции, гетерогенного катализа, коррозии и т.д. В целях по$ вышения информативности результатов электронной спектроскопии для химичес$ кого анализа иногда прибегают к сравнению полученных данных с результатами других спектроскопических методов и производят соответствующую коррекцию. Основные работы по этой тематике были выполнены К. Зигбаном в конце 60$х годов. При всех методах фотоэлектронной спектроскопии монохроматические фо$ тоны, то есть фотоны с определенной энергией, падают на пробу и посредством фотоэлектрического эффекта генерируют электроны, которые с кинетической энергией Екин. попадают в анализатор (рис. 15.10). На основе известной энергии фотонов hν и кинетической энергии Екин электрона можно сделать вывод об энер$ гии связи Есв. электрона в атоме или, соответственно, в молекуле. Установленная таким путем энергия сравнивается с известными табличными данными энергии связи, что позволяет идентифицировать атом или молекулу. В качестве важнейшего параметра фотоэлектронной спектроскопии получа$ ют энергию связи электронов. Ее экспериментальное определение осуществля$ ется путем измерения кинетической энергии Екин. в соответствующем анализато$ ре энергии. Кинетическая энергия излученных фотоэлектронов находится в той же области, что и энергия Оже$электронов, испускаемых, впрочем, одновремен$ но с фотоэлектронами. Вследствие этого получают и почти одинаковую инфор$ мационную глубину в несколько нанометров. Значение электронной спектроскопии для химического анализа состоит в том, что дополнительно к аналитической информации касательно присутствующих

15.5. Электронная спектроскопия для химического анализа Возбуждение фотонами (рентгеновское или УФизлучение)

Эмиссия фото и Ожеэлектронов

Излученный Кэлектрон становится свободным (фото)электроном

KLLОжеэлектрон

489

Рис. 15.10. Электронные переходы при фотоэлектронной эмиссии

элементов можно получить еще и сведения о виде связи. Поскольку энергия зах$ вата электронов в атомной связи в некоторой степени зависит от соседних ато$ мов, образуется незначительная разница между энергиями связи чистого элемен$ та и соединения. Эта разность проявляется в химическом сдвиге (chemical shift) соответствующих пиков. Если используется электронный спектрометр с высоким спектральным раз$ решением, то эти сдвиги, составляющие максимум несколько эВ, можно изме$ рить. В результате создается возможность определения того, имеет ли, например, соединение углерода и кислорода простую С–О$связь либо двойную С=О$связь и в какой доле какой вид связи присутствует. В случае окиси металла можно даже установить степень окисления, точнее, валентность, отвечающую степени окис$ ления. Но для точного вычисления энергий связи необходимо принимать во внима$ ние и другие влияющие факторы. Наряду с доминирующей энергией электрон$ ной ионизации, придется учесть еще доли энергии, привнесенные внутри$ и вне$ атомной релаксацией, а также компоненты корреляционной и релятивистской энергии. Среди них значительных величин достигают, в частности, энергии ре$ лаксации. После процесса ионизации в результате реорганизации орбиталей имеет место новое распределение энергии для ионного состояния по сравнению с атом$ ным состоянием. При дырочном состоянии вклад релаксации включает в себя как внутриатомную долю, обусловленную локальным изменением плотности элек$ тронов на атоме из$за более сильного притяжения электрона к ядру, так и вне$ атомную долю, обусловленную экранированием положительной заряженной дыр$ ки соседними атомами. При записи спектров, в силу фотоэмиссионного процесса с реорганизацией орбиталей, постоянно возникают процессы релаксации. Истинную энергию свя$ зи можно определить лишь при условии, что известна энергетическая компонен$ та, привнесенная релаксацией. Часто бывает так, что наряду с основной линией электронов наблюдаются дополнительные пики и структуры, причиной которых могут быть мультиплетности, многоэлектронные процессы или характеристичес$ кие явления потери энергии. Эти сопутствующие структуры частично затрудня$

490

Глава 15. Методы анализа поверхности

ют интерпретацию измеряемых спектров, но, с другой стороны, являются также источником дальнейшей информации. Еще больший интерес, чем абсолютные энергии связи, представляет хими$ ческий сдвиг энергетического уровня, вызываемый разным состоянием связи ато$ ма. При этом влияние оказывает не только сама валентная связь, но принимаются во внимание и индуцированные эффекты дальних атомов. Химический сдвиг скла$ дывается из межатомного терма, учитывающего кулоновское взаимодействие ва$ лентных электронов с остовными электронами под действием вызванного состоя$ нием связи заряда, и внутриатомной доли, учитывающей кулоновское взаимо$ действие эффективного заряда соседних атомов. Внутриатомный вклад зависит в первую очередь от типа атомов, их геометрии относительно друг друга, а также от распределения заряда и поляризуемости ва$ лентных электронов. Межатомный вклад примерно пропорционален состоянию заряда неионизированного атома и содержит терм, учитывающий сжатие атом$ ных орбиталей в результате состояния ионизации. Практически наблюдают сдви$ ги энергии связи для элемента в разных состояниях примерно до 5 эВ, а при не$ больших молекулах даже до 10 эВ. Таких спектральных сдвигов в принципе доста$ точно для идентификации соответствующего зарядового состояния либо уровня окисления атомов. В общем и целом можно утверждать следующее: чем выше формальная вален$ тность атомов в соединении, тем больше соответствующая энергия связи элект$ ронов. Отклонения от абсолютно линейной характеристики можно объяснить тем, что, наряду с простым представлением переноса заряда, необходимо принимать во внимание и ковалентности. В подтверждение эффективности электронной спектроскопии для химичес$ кого анализа приведем следующие основные характеристики данного метода. • Детектировать можно все элементы, кроме водорода. Точность измерения столь высока, что удается не только идентифицировать вид атома, но также определять по сдвигу энергетического уровня электронов вид химической связи. При очень малых сдвигах возникает ограничение разрешающей способности спектров. Обнаружение элементов является абсолютно одно$ значным; многозначность из$за наложений линий разных элементов встре$ чается крайне редко. Почти всегда возможен уход на другой уровень либо другие Оже$линии. Для идентификации могут быть привлечены также отно$ шения интенсивностей при спин$орбитальных взаимодействиях и незави$ симая от состояния связи разница энергий ионизации. • Интенсивность линий есть мера числа атомов в определенном состоянии связи (при соответствующей градуировке возможно проведение количе$ ственных анализов). • В сочетании с техникой распыления (sputtering) могут регистрироваться профили глубины, но при этом весь процесс, включая измерение, должен осуществляться в прерывистом режиме. • Данная методика исследования, в отличие от прочих способов, преимуще$ ственно недеструкционна, что позволяет анализировать с ее помощью орга$ нические вещества (например, полимеры).

15.6. Масс"спектрометрия вторичных ионов

491

15.6. Масс%спектрометрия вторичных ионов К сожалению, с помощью описанных выше методов можно определять только элементы, содержащиеся в соединениях, но не сами соединения. Масс$спектро$ метрия вторичных ионов является здесь в некотором роде шагом вперед, предла$ гая информацию об осколочных ионах, на основе которой изощренный ум спо$ собен реконструировать исходное соединение. Понятие масс$спектроскопии вторичных ионов подразумевает сочетание про$ цесса распыления и отрыва посредством фокусированного пучка ионов с собственно масс$спектрометрией инициируемых при этом вторичных ионов поверхности. Дан$ ный масс$спектрометрический метод детектирования позволяет проводить иссле$ дование всех элементов Периодической системы, включая изотопные анализы. Он используется во всех тех случаях, когда интерес для изучения представляет хими$ ческий состав поверхности либо близкой к поверхности зоны [15.14]. Анализы тон$ ких слоев с профилем глубины могут проводиться при высоком разрешении по глу$ бине. При этом количественные определения отдельных элементов осуществляют$ ся до диапазона миллионных долей. Особым достоинством данной методики явля$ ется возможность обнаружения даже таких легких элементов, как H, В, Ве и С [15.15]. Метод масс$спектрометрии вторичных ионов действует без всякого разруше$ ния образца1. Поверхность пробы бомбардируется положительными ионами инер$ тного газа (аргона) с энергией от 1 до 20 кэВ. При этом имеют место разные эф$ фекты, используемые в химико$аналитических целях. Среди них: • упругое рассеяние первичных ионов на поверхности посредством ионной спектроскопии, • индуцированная ионами Оже$электронная эмиссия, • вторичная ионная эмиссия на основе масс$спектрометрии вторичных ионов, • эмиссия нейтральных частиц при SNMS (Sputtered Neutral Mass Spectrometry), • индуцированное ионами светоизлучение при BLE (Bombardement induced Light Emission). Общим для всех этих методов является то, что первичные ионы фокусируют$ ся в пучок, диаметр которого составляет от 1 мм до менее 1 мкм. В то время как упругое рассеяние – по крайней мере, при энергиях ниже 1 кэВ – не вызывает разрушения образца, проникающие в твердое тело первичные ионы приводят к более или менее сильным разрушениям. Процесс отрыва наглядно представлен на рис. 15.11. Индуцированная ионами Оже$электронная эмиссия используется по тому же принципу, что и излучение, инициируемое электронами. Процесс отрыва происходит, когда атомы отдачи вблизи поверхности твердо$ го тела обладают энергией и направлением, необходимыми для того, чтобы поки$ нуть это твердое тело. Первичные ионы – в зависимости от энергии, массы и атом$ ной массы мишени, а также угла бомбардировки поверхности пробы – с разной глубиной проникают в пробу и отдают свою энергию в результате столкновения с 1

Происходит разрушение поверхностного слоя образца. – Прим. ред.

492

Глава 15. Методы анализа поверхности

Первичный ион

Первичные частицы упругого обратного рассеяния

Вторичные электроны Ожеэлектроны Нейтральные атомы и молекулы Возбужденные атомы и молекулы Вторичные ионы (атомы и молекулы)

Информационная глубина Глубина проникновения первичных ионов

Рис. 15.11. Эмиссионный процесс на поверхности твердого тела

частицами пробы. Вызванные этим каскады столкновений забирают у частиц вбли$ зи или на поверхности пробы энергию, превышающую энергию связи: происхо$ дит эмиссия частиц. Последние отрываются от поверхности в виде нейтральных частиц или как отрицательные либо положительные ионы. При бомбардировке ионами инертного газа в высоком или ультравысоком вакууме излучаемые частицы преимущественно электрически нейтральны. Доля возбужденных или, соответственно, ионизированных частиц мала и составляет обычно менее 1%. Образуются как положительные, так и отрицательные ионы, причем основное правило гласит: электроположительные элементы, например металлы, образуют преимущественно положительные ионы, а электроотрицатель$ ные элементы, например галогены, образуют преимущественно отрицательные ионы. Глубина выхода распыленных частиц составляет около 20 ангстрем в зависи$ мости, например, от энергии первичных ионов, массовых чисел участников стол$ кновения и зарядового числа. Глубина обнаружения находится на уровне несколь$ ких монослоев при медленном разрушении поверхности. Чувствительность в боль$ шинстве случаев превышает 10–6 частиц на каждый монослой. Спектры масс$спектрометрии вторичных ионов, как правило, сильно насыще$ ны линиями, поскольку всегда существует масса возможностей образования ион$ ных осколков, которые к тому же способны к рекомбинациям. В связи с этим интерпретация вторичных ионов определенным образом ограничена, ибо в ре$ зультате ионной бомбардировки могут возникать новые химические соединения. Чтобы по спектру определить точный состав поверхности, требуются довольно обширные сравнительные измерения. Масс$спектрометрия вторичных ионов позволяет проводить детектирование изотопов. Регистрация профилей глубины для элементного распределения вполне сравнима с растровой Оже$электронной микроскопией. В зависимости от назначения различают два режима работы при масс$спект$ рометрии вторичных ионов: статический и динамический. Рассматриваемый ме$ тод остается деструкционным даже при небольшой скорости травления поверх$ ности, по крайней мере, в динамическом режиме.

15.7. Спектроскопия ионного рассеяния

493

В статическом режиме работа ведется с пучком первичных ионов малой энергии; плотность тока составляет менее 10–9 А ⋅ см2 соответственно дозе ионов < 1012/см2. Это означает, что один ион аргона приходится на площадь 1600 Å2. Во время измерения снимаются только осколки монослоев. Для достижения пределов обнаружения в об$ ласти миллионных долей монослоя диаметры пучков составляют несколько милли$ метров. С учетом сильного влияния среды остаточного газа на вторичную ионную эмиссию требуется очень высокий вакуум. При динамической масс$спектрометрии вторичных ионов работа ведется с дозой больше в 104 раз. Энергии первичных ионов находятся в кэВ$диапазоне, диаметр пучка составляет от 1 мкм до 1 мм. Так как сигналы масс$спектрометрии вторичных ионов по определению не имеют фона, то представляется вполне воз$ можным обнаружение даже одного$единственного иона. Это значит, что данный метод пригоден для проведения следовых анализов. В 1986 г. был впервые предложен коммерческий вариант спектрометра на ос$ нове времени пролета (Time$of$flight, TOF) именно для масс$спектрометрии вто$ ричных ионов. Разработка и применение спектрометра по принципу времени пролета с фокусировкой по энергии положили начало новому поколению анали$ заторов в области исследования поверхностей. Благодаря подключению импуль$ сного источника первичных ионов или импульсного лазера такой спектрометр может быть легко преобразован в масс$спектрометр вторичных ионов либо в ла$ зерный микрозонд. Если вместо ионного пучка облучать поверхность пробы лазерным лучом, то в результате лазерного нагрева молекулы поверхности претерпевают десорбцию. При такой методике масс$анализа с помощью лазерного микрозонда можно ис$ пользовать для нагрева резко сфокусированный лазер с типовой плотностью мощ$ ности выше 108 Вт ⋅ см–2. Большинство частиц покидают поверхность незаряжен$ ными; небольшая часть ионов, выходящих из поверхности, анализируется в масс$ спектрометре.

15.7. Спектроскопия ионного рассеяния Недостатки и ограничения, связанные с одним методом анализа, иногда могут оказаться сильной стороной другого спектрального метода. Если Оже$электрон$ ная спектроскопия представляется идеальным дополнением к рентгеновскому микроанализу (особенно при исследовании легких элементов), то спектроскопия ионного рассеяния прекрасно дополняет масс$спектрометрию вторичных ионов. В то время как в последнем случае анализируются ионы, оторванные от по$ верхности, при спектроскопии ионного рассеяния (Ion Scattering Spectroscopy, ISS) измеряются потери энергии, которые претерпевают рассеянные на поверхности ионы инертного газа. Точнее говоря: определению подлежит отношение энергий Е/Е0 ионов до и после процесса рассеяния (рис. 15.12). При этом предполагается, что поступающие ионы инертного газа и одиночные поверхностные атомы под$ вергаются двойному столкновению. Так как рассеянные ионы всегда обладают одинаковой массой, то здесь нужен не масс$спектрометр, а электростатический

494

Глава 15. Методы анализа поверхности

Возбуждение ионами инертного газа

Эмиссия рассеянных ионов инертного газа

Эмиссия вторичных ионов

Поверхность пробы

Рис. 15.12. Схема действия масс$спектрометрии вторичных ионов и спектроско$ пии ионного рассеяния

анализатор для разделения энергий. С учетом разделения энергий упруго отража$ ющих ионов можно на основе пакета импульсов и закона сохранения энергии получить данные массового числа атомов на поверхности. Здесь можно детектировать все элементы, которые тяжелее падающего иона. Следовательно, водород в мономолекулярном слое – адсорбированный либо хи$ мически связанный – не поддается обнаружению по методу масс$спектрометрии ионного рассеяния. С ионами более высокой энергии (от 0,1 до 1 МэВ) удается получить информацию о глубинной структуре материалов. Этот спектроскопи$ ческий метод обозначают как RIBS (Rutherford Ion Back Scattering) – резерфор$ довское обратное рассеяние ионов или HEIS (High Energy Ion Scattering) – рассе$ яние высокоэнергетических ионов. Он особенно чувствителен в отношении тя$ желых элементов в легкой матрице. Начиная с железа, все соседние элементы едва ли удастся обнаружить по причине ограниченной масс$разрешающей способно$ сти метода. Мешающий эффект при данном методе – нейтрализация низкоэнер$ гетических ионов – целенаправленно используется в спектроскопии ионной ней$ трализации. Предел обнаружения здесь заметно хуже, чем при масс$спектрометрии вто$ ричных ионов, поскольку при этом методе наблюдается достаточно высокий фон. Эффективность метода основана на том, что он позволяет исследовать самый вер$ хний монослой (информационная глубина составляет один монослой). Как пра$ вило, для обнаружения соединений он неприменим. Возможно сочетание его с распылительным устройством для регистрации профилей глубины.

15.8. Микроскопия с растровыми зондами Микроскопия с растровыми зондами, именуемая также наноскопией, открыла ученым, работающим в сфере физики, химии и биологии, новое поле деятельно$ сти – возможность проведения анализов объектов в нанометровом диапазоне. Если все прочие методы изучения мельчайших объектов терпят крах на пороге Аббе, где объекты, которые меньше половины длины волны используемого излучения,

15.8. Микроскопия с растровыми зондами

495

уже не подлежат разрешению, микроскопия с растровыми зондами перешагивает эту границу благодаря совсем иному принципу измерения. Со времени внедре$ ния данного метода в 1981 г. появились совершенно новые возможности проведе$ ния исследований в научной и технологической областях. Благодаря ему было впервые получено изображение поверхностных атомов или дан ответ на вопрос о расположение атомов в кристаллической решетке на поверхности кремния. Микроскопия с растровыми зондами (Scanning Probe Microscopy, SMP) явля$ ется просто революционной методикой. Микроструктуры, вплоть до одиночных атомов, впервые были получены в прямом отображении с 108$кратным увеличе$ нием. Это резко расширило область применения метода – до уровня, о котором раньше не приходилось даже помышлять. За последние 10 лет никакой другой метод анализа поверхности не получил столь широкого распространения, как мик$ роскопия с растровыми зондами [15.16]. Первые снимки, демонстрирующие од$ новременно атомы на поверхности твердого тела и удерживающие их связи, были получены группой ученых из научно$исследовательского IBM$центра Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун Хайтс, США. Растровый зондовый микроскоп имеет три свойства, отличающие его от всех прочих микроскопов: • чрезвычайно высокое разрешение, вплоть до атомных размеров, • трехмерное измерение (измерение расстояний в традиционных микроско$ пах ограничено двумя размерами), • возможность применения в разных условиях окружающей среды – в вакуу$ ме, циркулирующем воздухе или в жидкости. Семейство растровых зондовых микроскопов можно условно разделить на две группы: • растровые туннельные микроскопы (Scanning Tunneling Microscope, STM) и • растровые силовые микроскопы (Atomic Force Microscope, AFM). Страстное желание многих ученых получить простое изображение атомной структуры поверхностей твердых тел было реализовано в 1982 г. двумя физиками, Г. Биннигом и Г. Рорером, с помощью растрового туннельного микроскопа, разра$ ботанного ими в научно$исследовательском IBM$центре г. Цюриха [15.17]. За эту поистине гениальную идею оба ученых получили в 1982 г. Нобелевскую премию в области физики. Одновременно тем самым были заложены основы для создания целого ряда микроскопов нового образца. Принцип растровой туннельной микро$ скопии базируется на самых разных взаимодействиях между зондом и пробой, при$ чем вместо туннельного тока для измерения используются другие параметры. Простая конструкция этого микроскопа с возможностью максимального раз$ решения вплоть до атомных единиц объясняет столь стремительное развитие, ка$ кое в последние годы показала данная отрасль микроскопии. Так, не в последнюю очередь под влиянием открытия растрового туннельного микроскопа в последу$ ющие годы появился совершенно новый класс растровых зондовых микроскопов с кратким обозначением RXM. Через «Х» здесь обозначен физический эффект (как «Т» для туннельного эффекта), посредством которого регулируется расстоя$ ние между подходящим острым измерительным зондом и пробой. В зависимости

496

Глава 15. Методы анализа поверхности

от используемого зонда можно, например, с высоким пространственным разре$ шением измерять локальные изменения температуры вблизи поверхности (рас$ тровая микроскопия теплового излучения [15.18]) или оптические свойства (оп$ тическая растровая микроскопия ближней зоны [15.19]). Помимо растрового туннельного микроскопа, отнюдь не последним среди микроскопов с растровыми зондами является также созданный Биннигом и кол$ легами растровый силовой микроскоп [15.20]. Он не имеет ограничения, харак$ терного для растрового туннельного микроскопа, который предназначен для ис$ следования исключительно электропроводящих образцов.

15.8.1. Принцип растровой туннельной микроскопии Растровый туннельный микроскоп разработан для исследований поверхностей проводящих или полупроводящих твердых тел. Принцип действия этого метода поразительно прост (рис. 15.13). Здесь используется эффект «электронного тун$ неля» – процесс, который можно объяснить только понятиями квантовой меха$ ники, приписывающей электронам одновременно волновые и корпускулярные свойства. Их волновые свойства дают возможность электронам проводимости попадать наружу через поверхность материала и окружать поверхность проводя$ щего материала электронным облаком. Если тонкое металлическое острие, также окруженное электронным облаком, достаточно близко подвести к поверхности проводящего материала, то электрон$ ные облака накладываются друг на друга, образуя «туннель». Если теперь между острием зонда и исследуемой поверхностью приложить напряжение, то электро$ ны начнут движение по этому туннелю и потечет ток. Сила такого туннельного тока зависит от удаленности металлического острия от исследуемой поверхности. Открытие принципа туннельного тока восходит еще к 1928 г. [15.21]. Итак, два металлических проводящих материала, в данном случае тонкое, иг$ рающее роль зонда острие и подлежащая исследованию проба, приближены друг к другу на расстояние всего в несколько диаметров атома (рис. 15.13). Одновре$ менно между ними прикладывается электрическое напряжение UT, причем клас$ сическая физика запрещает протекание тока по причине существующего потен$ циального барьера. Но, согласно квантовой механике, для электронов все же не исключена определенная вероятность преодоления этого барьера и попадания с Острие зонда

Туннельный ток

Рис. 15.13. Общая функциональная схема растровой туннельной микроскопии

15.8. Микроскопия с растровыми зондами

497

одного металла на другой, причем соответствующий туннельный ток IT течет в пико$ и наноампер$диапазоне [15.22]. Подвод зонда из Pt/Ir или вольфрама на расстояние 1–2 нм к поверхности электропроводящей пробы осуществляется с помощью пьезоэлектрического ис$ полнительного элемента, который после приложения напряжения может растя$ гиваться или сжиматься. Когда острие зонда движется по исследуемой поверхно$ сти, туннельный ток колеблется в зависимости от изменения удаленности острия от поверхности. При этом туннельный ток экспоненциально зависит от ширины потенциального барьера, то есть от интервала острие – проба. Таким образом, колебания тока есть показатель качества поверхности. Эта характеристика исполь$ зуется теперь в целях формирования изображения, для чего существует два режи$ ма работы. ÐÀÁÎÒÀ  ÐÅÆÈÌÅ ÏÎÑÒÎßÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ

При таком режиме туннельный ток удерживают на постоянном уровне во всех точках петли обратной связи. При выполнении измерения острие зонда построч$ но проводится по поверхности. Если при движении по гладкой поверхности ост$ рие попадает, например, на один$единственный дополнительный атом, то тун$ нельный ток резко возрастает, так как обычно равномерное электронное облако при этом как бы вспучивается. Через контур обратной связи острие поднимается настолько, что туннельный ток вновь возвращается к прежнему значению. Таким образом, зонд точно следует за профилем поверхности, так что в результате запи$ си вертикальных движений зондирующего острия получается нечто вроде кон$ турной карты атомов на поверхности. Чтобы удовлетворять чрезвычайно высо$ ким требованиям к точности управления движением в пикометровом диапазоне, применяют пьезокерамические исполнительные элементы. На основе оценки управляющих напряжений и преобразования в информацию о высоте получают в результате построчного растрирования трехмерное изображение поверхностного рельефа пробы. ÐÀÁÎÒÀ  ÐÅÆÈÌÅ ÏÎÑÒÎßÍÍÎÉ ÂÛÑÎÒÛ

Другая возможность записи рельефа пробы состоит не в изменении интервала между зондом и пробой, а только в детектировании изменения туннельного тока при растрировании поверхности. Однако полученное таким способом изображе$ ние поверхности пробы представляет собой не топографию в известном смысле этого слова, а нечто большее – плоскости с постоянной вероятностью туннели$ рования. Эта вероятность зависит как от вероятности пребывания электронов на поверхности, так и от распределения разных энергетических уровней. С помощью дополнительных мер можно получить более подробную информа$ цию о форме и плотности электронных облаков на поверхности и между поверхно$ стными атомами. Эти электронные облака определяют силы связи между атомами. Для проведения дополнительных измерений петля обратной связи периодически прерывается, одновременно изменяется напряжение между зондирующим остри$ ем и поверхностью и регистрируется относящийся сюда ток (рис. 15.14). При этом получают карту локальных электронных свойств исследуемой поверхности, ко$

498

Глава 15. Методы анализа поверхности

Компьютерное управление и обработка изображений Пьезоэлемент Чувствительный элемент

Сенсорная электроника

Взаимодействие

Рис. 15.14. На основе оценки управляющих напряжений и преобразования в ин$ формацию о высоте получают трехмерное изображение рельефа пробы

торые являются отображением отношений связи поверхностных атомов. Нало$ жив друг на друга контурную и электронную карты, можно узнать отношение по$ верхностных атомов и отношение существующих между ними связей. Таким способом можно, например, при растрировании с атомным разреше$ нием получать изображения структур из разных химических элементов. Так дос$ тигается спектроскопический анализ химического состава поверхности путем соответствующего изменения расстояния, туннельного напряжения или туннель$ ного тока (рис. 15.14). Основным условием успешной реализации всех этих вари$ антов остается электропроводимость образца.

15.8.2. Принцип атомной силовой микроскопии Как результат совершенствования растровой туннельной микроскопии в конце 80$х годов стал успешно применяться новый метод из этой серии – атомная сило$ вая, или растровая силовая, микроскопия (Atomic Force Microscopy, AFM, или Scanning Force Microscopy, SFM). Растровые туннельные и растровые атомные (силовые) микроскопы сконструированы практически одинаково. И здесь и там тонкое острие зонда, управляемое исполнительным пьезоэлементом, проводится с эффектом растрирования по поверхности пробы (рис. 15.15). В последнем слу$ чае острие смонтировано на служащей в качестве рычага слабой пружине – свое$

Лазер Фотодиод Консоль

Рис. 15.15. При атомной силовой микроскопии зондирующее острие монтируется на консоли, служащей в качестве пружинного рычага

15.8. Микроскопия с растровыми зондами

499

образной консоли (cantilever). Когда лазерный луч от нее отражается на коорди$ натно$чувствительном фотодиоде, можно регистрировать изгиб консоли и, зна$ чит, усилие, оказываемое на зонд в зависимости от расстояния до поверхности пробы [15.23]. В наипростейшем случае регулировка и здесь тоже осуществляется с расчетом на постоянное расстояние или, соответственно, воздействие силы, причем уси$ лия в области всего нескольких наноньютонов подчиняются закону отталкива$ ния. Регулируемые значения тогда вновь преобразуются измерительной ЭВМ в трехмерное высотное изображение поверхности. Важнейшим отличием от рас$ тровой туннельной спектроскопии является, согласно описанному принципу дей$ ствия, тот факт, что применение атомной силовой спектроскопии не ограничива$ ется только электропроводящими образцами. Более того, с помощью этого мето$ да можно получать изображения поверхности изоляторов или органических со$ единений, следовательно, он представляет интерес и для сферы изучения биологических материалов [15.24]. ÍÀÍÎÇÎÍÄÛ

Очевидно, что качество зондирующего острия и упругая прочность «консоли» решающим образом определяют разрешение и чувствительность растрового си$ лового микроскопа. При исследовании поверхностей важнейшую роль играет гео$ метрия острия. Если его радиус слишком велик, то небольшие структуры уже не разрешимы, а кромки и пики выглядят закругленными. Мелкие отверстия иногда вообще не поддаются регистрации. Даже когда радиус острия бесконечно мал, чрезмерно большой угол конуса острия дает неверное изображение. Крутые фрон$ ты более не сканируются, а днища возможных углублений с высоким отношени$ ем глубины/ширины вообще не достижимы для зонда. Короче говоря, с плохо выполненным острием можно получить иногда прекрасные, но, увы, искажен$ ные изображения. Рычажно$зондовая комбинация в самом простом варианте состоит из тонкой проволоки диаметром в несколько микрометров и длиной в несколько сотен мик$ рометров, конец которой загнут под углом 90° и заканчивается тонким острием. Такие зонды, состоящие из тонкой металлической проволоки, легко изготовить с помощью процессов электрохимического травления и полировки, придав им нуж$ ную форму посредством микроплавления. Радиус острия зондов исчисляется обычно в нанометрах. С учетом высокой чувствительности в отношении детектируемого усилия упо$ мянутая выше консоль должна быть по возможности не слишком жесткой, в то время как желаемая нечувствительность к внешним помехам требует высоких ре$ зонансных частот и, следовательно, наличия жесткой консоли. Эти на первый взгляд взаимоисключающие требования удается выполнить за счет миниатюри$ зации чувствительного элемента датчика силы. Новые, изготовленные литограф$ ским способом встроенные рычажно$зондовые системы имеют ориентировочные размеры: длина × ширина × высота = 100 × 10 × 1 мкм3. Типичная жесткость рычажной пружины составляет около 1 Н/м. Силовое взаимодействие на уровне 1 наноньютона соответствует тогда отклонению рычага на 1 нм.

500

Глава 15. Методы анализа поверхности

В настоящее время рынок предлагает два разных вида сенсоров серийного про$ изводства. Используемые до сих пор чувствительные элементы из нитрида крем$ ния отличаются простотой и дешевизной изготовления. Но геометрия острия у них имеет определенные пределы. Угол конуса, равный 70°, относительно велик, ради$ ус острия достигает 500 ангстрем. Кроме того, нитрид кремния известен своей спо$ собностью удерживать электрические заряды. Вызванные этим бесконтрольные электростатические силы способствуют иногда повышению «склеивающей» силы подобных сенсоров. Новинкой последних лет являются чувствительные элементы из монокристаллического кремния, у которых радиус острия обычно составляет менее 100 Ангстрем, а угол конуса равен от 40 до 50°. В самой верхней зоне острия (несколько сотен нанометров) угол конуса меньше и достигает на конце примерно 10°. Этим обеспечивается адекватное изображение поверхности. Между зондирующим острием и поверхностью пробы имеется множество вза$ имодействий: на отталкивающие силы очень малой дальности действия наклады$ ваются притягивающие силы Ван$дер$Ваальса большей дальности действия. В до$ полнение к ним при работе на воздухе появляются еще и капиллярные силы – из$ за присутствия загрязняющих и водных слоев. Растровая силовая микроскопия в принципе может функционировать двумя разными способами: контактным и бес$ контактным. ÊÎÍÒÀÊÒÍÛÉ ÐÅÆÈÌ ÐÀÁÎÒÛ

При таком способе работы, который еще называют отталкивающим, острие прово$ дится по поверхности – в квазиконтакте – с полезным усилием от 10–7 до 10–9 Н. Дальнодействующие притягивающие силы и ближнедействующие отталкиваю$ щие силы находятся примерно в равновесии, но при этом, несмотря на пренебре$ жимо малые полезные усилия, могут возникнуть относительно высокие отталки$ вающие силы на передних контактных атомах. ÁÅÑÊÎÍÒÀÊÒÍÛÉ ÐÅÆÈÌ ÐÀÁÎÒÛ

При таком способе работы, который еще называют притягивающим, консоль и ос$ трие возбуждаются для резонансных колебаний. Притягивающие силы, проявляю$ щие себя уже на расстоянии нескольких нанометров от поверхности пробы, дей$ ствуют как маленькие добавочные пружинки на зондирующем острие. В результате происходит сдвиг резонансной частоты. Это детектируется и используется для ре$ гулирования, как уже описывалось выше. Таким способом получают изображения с постоянным градиентом силы. В случае изображений рельефа это означает, что поверхность пробы растрируется с постоянным (и регулируемым) интервалом между острием и пробой, равным нескольким нанометрам. Возникающие при этом силы носят чисто притягивающий характер, и они на несколько порядков меньше (пре$ дел обнаружения около 10–12 Н).

15.8.3. Магнитодинамический микроскоп Если проба и острие имеют магнитное покрытие, то магнитные взаимодействия могут использоваться для создания топографии магнитной поверхности, и тогда мы получим то, что называют магнитодинамическим микроскопом (Magnetic Force

15.8. Микроскопия с растровыми зондами

501

Microscоpe, MFM) [15.25]. В качестве зондов здесь чаще всего находят примене$ ние игольчатые наконечники из никеля. Наряду с определенной геометрией, они обладают еще и определенными магнитными свойствами. Так, намагниченность на основе очень высокой анизотропии формы у таких зондов первично парал$ лельна продольной оси зонда и, следовательно, ориентирована перпендикулярно поверхности пробы. Динамическое взаимодействие определяется тогда через маг$ нитный момент зонда в локальном, неоднородном, близком к поверхности маг$ нитном поле пробы перпендикулярно ее поверхности. Взаимодействие сил срав$ нимо здесь с механизмом отталкивания или притягивания двух магнитов в зави$ симости от ориентации торцов полюсов. Область применения микроскопа такого типа не ограничивается только фун$ даментальными исследованием, но простирается и до уровня промышленного производства. У магнитных запоминающих устройств для хранения данных одна единица количества информации имеет величину, равную всего нескольким мик$ рометрам. Изучение подобных двоичных структур с помощью магнитодинами$ ческого микроскопа возможно без всякой пробоподготовки и позволяет прово$ дить быстрый, без разрушения образца, с высокой разрешающей способностью, контроль качества этих запоминающих сред [15.26].

15.8.4. Растровый электрохимический микроскоп Если зондирующее острие как рабочий электрод, а исследуемую поверхность как противоположный электрод с относящимся сюда опорным электродом присое$ динить к стабилизатору напряжения, то можно исследовать электрохимические процессы с высоким пространственным разрешением. Растровый электрохими$ ческий микроскоп (Scanning Electrochemical Microscope, SECM) был разработан в 1989 г. и с тех пор успешно используется при исследовании осаждений разного рода, а также процессов коррозии и травления. Рабочий электрод из высококаче$ ственной стали диаметром несколько микрометров служит в качестве ультрамик$ роэлектрода для растрирования поверхности на микрометровом расстоянии. В зависимости от приложенного потенциала начинается электрохимическая ре$ акция на поверхности, результирующий ток которой пропорционален локальной концентрации. При этом возможны разрешения до диаметра примерно 1 мкм. Многообещающие возможности данной методики основаны на микрострук$ турировании, позволяющей осуществлять локальные изменения поверхности. Ультрамикроэлектрод может при этом использоваться в микродиапазоне либо для структурированного травления, либо для осаждения металлов или полиме$ ров [15.27].

15.8.5. Практическое применение анализов поверхности Атомы состоят из ядра, окруженного подвижным электронным облаком. Неко$ торые из окружающих ядро электронов очень контактны и в молекулах собира$ ются вместе. Большая или меньшая склонность электронов к образованию свя$ зей является решающим фактором того, как атомы взаимодействуют между со$ бой. Атомы внутри тела имеют характерную конфигурацию в зависимости от сил

502

Глава 15. Методы анализа поверхности

связи своего окружения. Атомы вблизи поверхности располагаются иначе, по$ скольку из одного какого$то направления на них не действует никаких сил связи. Этим различием и объясняются отличающиеся друг от друга электронные свой$ ства у поверхности твердого тела и внутри него. Таким образом, связи могут выс$ тупать из поверхности твердого тела и вызывать химические реакции. Растровая силовая и растровая туннельная микроскопия, равно как магнито$ динамическая микроскопия, представляют собой новое и весьма ценное допол$ нение к прежней традиционной методике микроскопирования. Такие свойства, как чрезвычайно высокая разрешающая способность (вплоть до молекулярных и атомных единиц), настоящее трехмерное изображение структуры поверхностей и возможность работать в разных условиях окружающей среды (в вакууме, в возду$ хе и прочих атмосферах, а также в жидкости), выгодно отличают эту технику от прочих методов микроскопии. Затраты на подготовку образцов здесь сведены к минимуму и ограничиваются в большинстве случаев просто фиксацией пробы. Это позволяет с самого начала в значительной мере исключить возможные арте$ факты и создает условия для проведения исследований прямо на месте (in"situ). Здесь можно сделать видимыми и атомы, и их связи, определяя таким обра$ зом силы, свойства и отличительные признаки отдельных материалов. Эти силы, в частности, ответственны за то, что один материал ведет себя как благородный металл, а другой, напротив, проявляет высокую реакционную способность. С этим знанием открываются новые перспективы во многих сферах научных исследова$ ний. Удается, например, изготовить до сих пор неизвестные в природе вещества или лучше понять протекание важных биологических процессов в атомах. Наряду с использованием на уровне фундаментальных исследований в физи$ ке и химии, методы растровой туннельной и растровой силовой микроскопии широко применяются в материаловедении и при проведении анализов в электро$ химии. Особо следует выделить такую область, как изучение структуры поверх$ ностей электронных деталей, полупроводников и оптических средств хранения информации. Так, незначительные дефекты, которые очень легко распознаются с помощью этого метода, могут привести к сбоям в процессе производства и по$ ломкам при эксплуатации полупроводниковых схем. Поскольку эти схемы по$ стоянно увеличивают свое быстродействие и уменьшаются в размерах, то вопрос обнаружения и своевременного устранения указанных дефектов приобретает все большую важность. Расширяется и применение зондовых микроскопов в биологических и биотех$ нических исследованиях, причем именно в этой сфере открываются новые возмож$ ности проведения анализов на живом, не препарированном материале, вплоть до целенаправленных манипуляций в молекулярном масштабе. Представление ДНК в атомном масштабе указывает перспективы будущего использования атомного силового микроскопа в качестве миниприбора упорядочивания ДНК. Бурное техническое развитие подобных микроскопов, главная особенность которых состоит в способе физического взаимодействия между измерительным зондом и поверхностью образца, приводит к появлению все более компактных и чувствительных приборов, которые можно легко приспосабливать к решению специальных задач или изменившимся требованиям. В настоящее время рынок

15.8. Микроскопия с растровыми зондами

503

предлагает множество коммерческих систем, облегчающих вхождение в эту за$ хватывающую область. Неуклонное совершенствование конструктивных исполнений соответствую$ щего оборудования продолжает открывать все новые и новые области его приме$ нения, о которых прежде не приходилось и мечтать. Уже известны сообщения о разработке термических, емкостных или оптических зондов, а за ними, безуслов$ но, последуют другие, предназначенные для использования иных физических вза$ имодействий. Эти успехи дают все основания ожидать дальнейшего повышения точности и чувствительности описанных методов, которые продолжают разви$ ваться и совершенствоваться.

ÃËÀÂÀ 16 ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ Одномерные методы анализа дают для каждого вещества всего один измеряе$ мый параметр (например, температуру плавления). Методы спектроскопии яв$ ляются, как минимум, двумерными, сообщая о веществе для каждого разреши$ мого интервала длин волн спектра хотя бы одно значение интенсивности. По$ этому их информативность достаточно велика для того, чтобы ответить практи$ чески на любой осмысленный вопрос аналитической химии. Это определенно является одной из причин поразительно быстрого развития спектральных ме$ тодов анализа. Аналитическая техника, взятая на вооружение спектроскопией, использует переходы в схемах энергетических уровней молекул и атомов, дающих фотоны в интервале от рентгеновского излучения до ультракоротких волн. Многообразие предлагаемых методов позволяет решать самые разные проблемы, в том числе проблемы следового и микроанализа, а также анализа поверхности. Большинство спектроскопических методов являются недеструктивными, то есть действуют без разрушения образца: пробы в процессе анализа не претерпевают никаких изме$ нений и могут быть использованы для дальнейшей работы. Это чрезвычайно цен$ ное качество, широко используемое, например, при экспертизе произведений искусства или при конечном контроле готовой продукции. Наряду с совершенствованием техники и методики анализа, продолжают раз$ виваться многочисленные варианты проблемно$ориентированного применения аналитических исследований при решении комплексных проблем из самых раз$ ных областей. Как уже упоминалось, в сфере стандартной аналитики отмечается все большее стремление к сочетанию способов разделения и предварительного обогащения, где особые надежды возлагаются на метод проточной инжекции. В прикладной аналитике успешно продвигаются работы по объединению систем проточной инжекции и атомно$абсорбционной спектроскопии. Инструментальные возможности коммерческих спектральных приборов были значительно улучшены благодаря привлечению эффективных систем сбора и об$ работки данных, а также на основе представления измеренных параметров с по$ мощью персональных компьютеров, что открыло интересные перспективы в плане контроля в режиме он$лайн, например в случае технологических потоков либо сточных вод. Здесь стоит указать еще на обширную инновационную область элек$ трохимических сенсоров, демонстрирующую несомненные успехи. При разработке новых методов большое внимание уделяется, кроме прочего, созданию условий для максимально точной обработки данных и извлечения не$ обходимых сведений из больших массивов информации. Для обработки данных сейчас предлагаются самые разные пакеты программ, включающие способы со$ кращения объема данных и их предварительной обработки, а также варианты про$ странственного представления и анализа с функцией группирования.

Заключение

505

В заключение можно утверждать, что прогресс как в элементной, так и в об$ щей аналитике активно следует за необходимостью создания оптимального рав$ новесия между обязательным совершенствованием и неизбежно связанным с ним риском для нашего здоровья и общей безопасности. Иными словами, многочис$ ленные манипуляции в химико$аналитических целях способствовали, с одной стороны, оптимизации химических процессов, большему пониманию влияния загрязнений и примесей – даже на уровне ультраследов – на химические и физи$ ческие свойства материалов, с другой стороны, обнаружению возможного при$ сутствия вредных и опасных веществ. Здесь следует еще раз подчеркнуть, что аналитические фундаментальные ис$ следования не только создают базу для максимально экономичной рутинной ана$ литики завтрашнего дня. Они являются также непреложным условием для иссле$ дования ряда не совсем понятных пока процессов в биологии, медицине и окру$ жающей среде. Можно назвать здесь хотя бы весьма сложный и мало пока изу$ ченный вопрос касательно значения «следовых элементов» в повседневной жизни человека, которые в слишком высокой концентрации способны оказывать ток$ сическое действие, при умеренной концнтрации действовать с разной степенью активности, а в слишком малом объеме вызвать явления недостаточности. Каким же видится дальнейшее развитие атомной и молекулярной спектро$ метрии? Безусловно, некие новые, до сих пор еще не нашедшие применения прин$ ципы будут в ближайшее время опробованы в фундаментальных исследованиях и аналитике, но каких$то потрясений или невероятных открытий здесь вряд ли стоит ожидать. Наблюдаемый в данный момент тренд создания более сложных устройств больших размеров не может продолжаться одинаково активно во всех сферах. Во$ первых, это не оправдано с финансовой точки зрения, во$вторых, это просто не нужно. При более детальном рассмотрении возможных тенденций развития в дан$ ной области обнаруживается, что классические приборы сначала проходят мо$ дернизацию за счет замены отдельных узлов. Конкретнее это выглядит следую$ щим образом. • Тепловые источники света инициируются лазером, световоды позволяют проводить дистанционные исследования. • Призмы заменяются дифракционными решетками, плоские решетки с ме$ ханически нанесенными штрихами – выполненными голографическим способом вогнутыми решетками; широко применяются интерферометры. • Фотопластины были заменены сначала сканирующими одноканальными де$ текторами, а затем – растровыми (построчными) и матричными детекторами. • Цифровые вычислительные машины, используемые сначала только для обработки спектров, сейчас управляют всем процессом измерения и рас$ шифровки результатов. Период переоснащения, похоже, еще далеко не завершен. Совершенно но$ вые и обширные области применения спектроскопических методов требуют на$ личия оборудования в новом конструктивном исполнении: все чаще анализы при$ ходится выполнять в реальном времени, решая проблему прямо на месте; для этого нужны надежные, компактные спектрометры. Спектральные способы привлека$

506

Глава 16. Заключение

ют все больший интерес со стороны аналитики окружающей среды. И конечно, без этих методов не обойтись в деле сортировки мусора. Да и медицинская диаг$ ностика открывает просто необъятное поле деятельности. Создается впечатление, что наконец настало время вновь подумать о возмож$ ности оптимизации всех существующих методик, еще раз скрупулезно рассчи$ тать каждый узел прибора и более точно согласовать все стадии того или иного аналитического способа. Можно ожидать, что в ходе этого процесса появятся ус$ тройства и способы, значительно более эффективные, но при этом и более деше$ вые [16.1]. Неизбежная при этом миниатюризация будет способствовать увеличе$ нию отношения сигнал/шум, следовательно, понижению предела обнаружения и повышению точности измерения. Одновременно это может привести также к уменьшению требуемого для исследования объема проб, что опять$таки есть пря$ мой путь к сокращению затрат. Методы спектроскопии, особенно молекулярной спектрометрии, представ$ ляется целесообразным использовать в целях идентификации веществ лишь при наличии надежных банков спектров. Понятно, что эти спектры должны быть пред$ ставлены в цифровой форме. Подобные собрания будут достаточно эффективны только в том случае, если хотя бы для наиболее важных методов в распоряжении будет некая критическая масса из более чем 10 000 спектров. Для достижения этой цели необходимо систематически и ответственно коллекционировать все имею$ щиеся спектры, а химиков следовало бы обязать спектры вновь созданных либо выделенных из естественных веществ элементов публиковать в некоем глобаль$ ном сборнике. В заключение следует заметить, что целесообразное применение спектроско$ пических методов, несмотря на прогрессирующую автоматизацию, возможно лишь при условии, что все работы будут выполняться под контролем опытных спектро$ скопистов, обладающих глубокими познаниями в области аналитики и понима$ ющих в этом деле больше, чем те, кто аналитикой считает только умение прово$ дить неорганические количественные анализы. Химико$аналитические лабора$ тории должны иметь в своем штате и хорошо обученных техников$лаборантов. Обязанностью научного сообщества, совместно со специализированными выс$ шими школами, практикующими естествоиспытателями и всеми, так или иначе причастными к этой теме, является обучение предмету «спектроскопия» разны$ ми способами и средствами, будь то курсы повышения квалификации, конфе$ ренции, циклы лекций и т.п. Надеемся, что и настоящая книга послужит на пользу этому благородному делу.

Литература 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16

1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26

Tölg, G.: Analyst 112, 365 (1987). Aldinger, F., und H.
J. Kalz: Angew. Chem. 99, 381 (1987). Kraus, G., J. Göppert, W. Rosenstiel und G. Gauglitz: Neuronale Netze in der chemischen Analytik. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 10, 1133–1138 (1994). Tölg, G.: Anal. Chim. Acta 283, 3 (1993). Schmitz, K.: Neue Impulse für die Materialwissenschaft. Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 11, 1138–1139 (1994). Tölg, G., und R.P.H. Garten: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 24, 485 (1985). Garten, R.P.H., und H.W. Werner: Anal. Chim. Acta 297, 3 (1994). Warnecke, H.
J.: Interdisziplinдr handeln! Statement über die Zukunft des Forschungs
standortes Deutschland. Process 2, Nr. 7/8, 20–21 (1995). Eder, A.: Das Wasser ist sein Element. Das Institut Fresenius und die Mineralwasser analyse. Labor 2000, 18–24 (1994). Hollemann, A.F., und E. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Berlin, New York: Walter de Gruyter Verlag, 1985. Kabisch, R., und I. Witte: Wenn Ungiftiges giftig wird! Labor 2000, 66–73 (1988). Hauthal, H.G.: Abgaskatalysatoren – mehr Leistung, komplettes Recycling. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 10, 1148 (1993). Tschöpel, R, und G. Tölg, J.: Trace Microprobe Techn. 1, 1 (1982). Andrle, C., und J.A.C. Broekaert: Speziation von Cr(III) und Cr(VI). Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 11, 1140–1146 (1994). Hässelbarth, W: Traceability – Rückführbarkeit in der chemischen Analytik. GIT Fachz. Lab. 39, Nr. 9, 835–838 (1995). Bremser, W., und A. Zschunke: Zuverlässigkeit in der Analytischen Chemie. Die Abteilung «Analytische Chemie; Referenzmaterialien» der Bundesanstalt für Materialforschung und
prüfung (BAM) Berlin. GIT Fachz. Lab. 39, Nr. 9, 825–834 (1995). Linscheid, M., W Nigge und U. Marggraf: Kopplungstechniken Chromatographie/ Spektroskopie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 9, M67
M78 (1995). Ballschmiter, K.: Analytische Chemie – ein Fach im Wandel. GIT Fachz. Lab. 38, Heft 10, 1042–1046(1994). Kurfürst, U.: Homogenität und Analysengenauigkeit. Theorie und Beispiele aus der Spurenanalytik der Elemente. GIT Fachz. Lab. 37, Nr. 10, 868–875 (1993). DIN/DEV 38 402
A11: Probennahme von Abwasser (Juni 1985). Schmid, R.D.: Globale Umweltprojekte in Japan. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 4, 428–434 (1993). Hauthal, H.G.: Das Umweltforschungszentrum Leipzig
Halle. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 9, 984–989 (1993). Cikryt. P.: Dioxine: Eine unendliche Geschichte? Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 5, 550–556 (1993). Hoffmann, H.
J.: Analytik im Recht. Analytik in den rechtlichen Regelungen für Abwasser und Klдrschlamm. Labor 2000, 158–165 (1993). Hahn, J.: Gesetzgebung und Analytik am Beispiel der Wasserwirtschaft. Labor 2000, 244–262 (1987). Stroetmann, C: Umweltanalytik – ihre Bedeutung aus der Sicht der Bundesregierung. LABO 22, Nr. 6, 7–12 (1991).

508

Литература

1.27 Gauweiler, R: Umweltanalytik und Gesetzgebung. Labor 2000, Ausgabe 1992, 3. 1.28 Mandelatz, K.W.: Chemische Emissionen und ihre Bewertung. Labor 2000, 102–105 (1994). 1.29 Fritz, R., und M. Spiteller: Metabolismusforschung für den Umweltschutz. Labor 2000, 20–31 (1993). 1.30 Kerndorff, H., und H.H. Dieter: Das Gefährdungspotential von Altablagerungen – Trinkwasser aus Grundwasser und seine standortnahe wissenschaftliche Bewertung. GIT Fachz. Lab. 37, Nr. 5, 388–392 (1993). 1.31 Franzius, V.: Aktuelle Entwicklung zur Altlastenproblematik in der Bundesrepublik Deutschland. UTA 5, Nr. 6, 443–449 (1994). 1.32 Pudill, R.: Strategien der Altlastenuntersuchung. LP Special: Chromatographie/ Spektroskopie, 80–84 (1991). 1.33 Gesellschaft Deutscher Chemiker, Beratergremium für umweltrelevante Altstoffe (BUA): Umweltrelevante Alte Stoffe, Auswahlkriterien und Stoffliste. VCH
Verlagsgesellschaft, Weinheim 1986. 1.34 Williams, R. H.: Gefordert sind neue und erschwingliche Technologien. Ein Rückblick auf die 2. Internationale Konferenz zur Altlastensanierung. UTA 5, Nr. 6, 450–453 1994). 1.35 Bahdir, M.: Organische Abfallanalytik als Screenig und auf Einzelstoffe. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 4, 308–316 (1994). 1.36 Hoffmann, H.
J.: LaborPraxis Mai 1992, 514. 1.37 Wagner, L, und W. Fink: Tips zur respirometrischen BSB
Bestimmung. Labor Praxis 19, Nr. 10, 30–32(1995). 1.38 Link, M.: Biotests in der Abwasseranalytik. LP Special: Chromatographie/Spektroskopie, 99–101 (1991). 1.39 Fabian, R: Das Ozonloch: chemische Aspekte. Labor 2000, 8–15(1988). 1.40 Günther, A.: Umweltprobleme. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 10,1114–1120 (1993). 1.41 Gökcek, C., P. Kunik und D. Schmicker: Umwelt auf dem Pröstand. Labor 2000, 103–110 (1991). 1.42 Schmidt, F.: Umweltdaten, Sammeln, Verstehen, Entscheiden. Labor 2000, 48–58 (1989). 1.43 Bongartz, A., S. schweighoefer und J. Kames: Luftchemie – die Atmosphäre im Labor. Labor 2000,146–154 (1989). 1.44 Riede, K. R: Mobile Analytik – 25 Jahre Fortschritt in der Umweltanalvtik. LABO 26, Nr. 2, 48–49(1995). 1.45 Hartmann, B.: EU
Umweltaudit. Galvanotechnik 86, Heft 9, 2970–2976 (1995). 1.46 Schemmer, M.: Öko
Audit. Erfahrungen der AEG Daimler
Benz Industrie mit Umwelt
audits nach EU
Vorgaben. UTA 6, Nr. 1, 58–61 (1995). 1.47 Hatzopoulos, I.: Chemiestandort Europa. Gentechnik und mehr. Nach. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 9, 864–868 (1994). 1.48 Hein, H.: Labormanagement in der Umweltanalytik. Labor 2000, 46–52 (1992). 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Gauglitz, G.: Trends in der UV/Vis
Spektroskopie. Labor 2000, 74–83 (1994). Wendland, E., LABO 18, Heft 6, 64 (1987). Chance, B., Rev. Sei. Instrum. 22, 634 (1951). Briehl, R. W., J. Biol. Chem. 245, 544 (1970). Talsky, G., L. Mayring und H. Kreuzer: Feinauflösende UV/VIS
Derivativspektrome
trie höherer Ordnung. Angew. Chem. 90, 840–854 (1978).

Литература 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19

3.20 3.21 3.22 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 5.1 5.2 5.3 5.4

509

Talsky, G.: Warum Derivativspektrophotometrie höherer Ordnung? GIT Fachz. Lab. 26, 929–932 (1982). Esser, G., und W. Hans, LaborPraxis Juni 1988, 676. Müller, H.: Neues Spektrometerkonzept für die Routine
UV/VIS
Spektroskopie. LaborPraxis November 1988, 1218. Bayerbach, S.: Moderne Werkzeuge zur Entwicklung einer UV
Vis
Methode im Hinblick auf eine Validierung. GIT Fachz. Lab. 37, Nr. 11, 978–980 (1993). Eifler, K.
J., und C. Cottrell: LaborPraxis April 1982, 248. McCarthy, C.J. und E.E. King: Hochauflцsende Photodiodenarray
Spektrometrie. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 126–129 (1989). Gauglitz, G.: UV/Vis
/Fluoreszenz
Spektroskopie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 11, M1
M5(1994). Owen, T., und J. Emmert: Diodenarray
Technik fьr Routineanalysen. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 141–143 (1987). Emmrich, R., und F. Fiedler: Spektralphotometrie mit faseroptischen Sonden. Labor Praxis 18, Nr. 5, 42–51 (1994). Fitch, R, und A.G. Garges: International Laboratory Sept. 1987, 100. Sceiwedt, G.: Laborpraxis Dezember 1990, 1010. Wolfbeis, O. S.: Optoden und Fluorophore. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 3, 313–316 (1995). Markert, B.: Wasseranalytik II. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 11, M1
M12 (1993). Schwedt, G., B. C. Seo, S. Dreyer und E.
U. Ruhdel: Nitrit, Nitrat in Wässern. Photometrische Schnellverfahren und Ionenchromatographie im Vergleich. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 46–47 (1987). Schwedt, G.: LaborPraxis Mai 1988, 491. Schwedt, G.: LaborPraxis Juli/August 1990, 616. Bishop, J., G. Forderkunz und J. Maassen: Neue Wege in der UV/VIS
Spektroskopie. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 112–114 (1991). Lassak, H.
E: Lumineszenz im Microplate
Format. LaborPraxis 14, Nr. 5, 370–374 (1990). DIN 38 407
F8: Bestimmung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in Trinkwasser. Juni 1981. Greulich, K.
O., K. Kleinermanns, P. Monkhouse und J. Wolfrum: Laser im Labor. Labor 2000, 229–242 (1987). Bradley, A.B., und R.N. Zare: J. Am. Chem. Soc. 98, 620 (1976). Resch, U., K. Rurack und M. Senorer: Zeitaufgelöste Fluorometrie in der Wasseranalytik. Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 5, 504–506 (1994). Mingram, W: Umweltverträgliche Umweltanalytik. Trennung von PAK in Trink
und Grundwasser. LaborPraxis 16, Nr. 9, 896–900 (1992). Jäger, E., und H. Lucht: Zeitaufgelöste Laserspektroskopie. Nachweis von PAK in Wasser. LaborPraxis 16, Nr. 9, 872–877 (1992). Lehrer, E. Z. techn. Physik 23, 169 (1942). Heisz, O. LaborPraxis Oktober 1986, 1138. Genzel, L. Anal. Chem. 273, 391 (1975). Gerwert, K., und G. Souvignier: Zeitaufgelöste FTIR
Differenzspektroskopie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 9, 950–956 (1993).

510 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28 5.29 5.30 5.31 5.32 5.33 5.34 5.35 5.36 5.37

Литература Molt, K.: FT
IR
, NIR
und Raman
Spektroskopie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 9, Ml
M12(1993). Birch, J. R., und F. J. J. Clarke: Fifty Categories of Ordinate Error in Fourier Transform Spectroscopy. Spectroscopy Europe 7, No. 4,16–22 (1995). Luft, K. F.: Z. techn. Phys. 24, 97 (1943). Heisz, O.: LaborPraxis Juni 1990, 496. Rager, A.: LaborPraxis April 1992, 320. Wolters, J.: Die Langweg
Gaszelle. Eine Anwendungsmöglichkeit des zukunftsträchtigen IR
Zubehörs. LaborPraxis 17, Nr. 6, 78–79 (1993). Oelichmann, J., und A. Rau: Neuere Reflexionsmethoden in der FTIR
Spektroskopie. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 134–140 (1987). Krohmer, R, und R. Dunelli: URTips 35. Überlingen: Bodenseewerk Perkin
Elmer, 1967. Molt, K.: Fresenius Z. Anal. Chem. 3/9, 743 (1984). Oelichmann. J., und A. Rau: LaborPraxis Oktober 1986, 638. Herres, W., und G. Zachmann. Z. Anal. Chem. 391, 701 (1984). Weiss, J.: FIR
Messung von Festkörpern per ATR. LaborPraxis 19, Nr. 9, 36–38 (1995). Viktorin, M.: H
ATR. Spezielle FTIR
Techniken in der Anwendung. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 102–106 (1991). Hohmann, H.: FTIR und ATR
Technik in wäßrigen Systemen. Qualitative und quantitative Analyse. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 4, 343–347 (1994). Fischer, G., und M. Bader: Schmelzfilmtechnik für die IR
Spektroskopie. LABO 25, Nr. 7–8, 28–32 (1994). Golden, W.G., und D.D. Saperstein: J. Phys. Chem. 88, 574 (1984). Zachmann, G., J. Mol: Structure 115, 465 (1984). Hauser, M., und J. Oelichmann: 6th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, Wien 24.
28. Aug. 1987. Pohl, M.: Dissertation Universität – GH Duisburg, 1992. Krishnan, K.: Applied Spectroscopy 35, 6 (1981). Herres, W, und G. Zachmann: LaborPraxis Juni 1984, 632. Busse und B. Bullemer: Infrared Phys. 18, 631 (1978). Röd: Photoakustische Gasdetektion. Von der Beobachtung bis zur industriellen Anwendung. LaborPraxis 17, Nr. 3, 54–65 (1993). Zachmann, G., und A. Simon: Kontrolle 11/12, 34 (1985). Zachmann, G.: Productronic 11, 78 (1987). Göke, G.: Mikroskopie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 4, M1
M10 (1994). Zachmann, G., und A. Simon: FTIR
Mikroskopie. LaborPraxis Special, Chromatographie/ Spektroskopie, 122–127 (1987). Bruker: FTIRApplication Note 24. Zachmann, G., und A. Simon: LaborPraxis April 1986, 342. Oelichmann, J., und A. Rau: Mikro
Methoden in der FTIR
Spektroskopie. LaborPraxis Special, Chromatographie/Spektroskopie, 144–148 (1987). Compton, D.A.C., M.L. Mittleman und J.G. Grasseli: Appl. Spectroscopy 39, 909 (1985). Utschick, H., und W. Kunze: Qualitдtssicherung durch Anwendung thermoanalytischer Methoden. LABO 26, Nr. 4, 33–35 (1995). Schönherr, R.: TGA
FTIR
Kopplung. Identifikation von Basispolymeren in Elastomeren. LaborPraxis September 1995, 24–27.

Литература

511

5.38 Obrenski, R. J., J. Miller und R. Fischer: Anwendung von Vektoren in der analytischen IR
Spektrometire. Labor Praxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 205–212 (1986). 5.39 Beiz, H.
H., GIT Fachz. Lab. 27, 192 (1983) 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 7.1 7.2 7.3

7.4 7.5 7.6 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6

Molt, K.: NIR
Spektroskopie für die Identitätsprüfung. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 3, 330–336(1995). Kaye, W: Spectrochim. Acta 7, 181 (1955). Molt, K.: GIT Fachz. Lab. 16, 107 (1992). Kurowski, Ch.: Einsatz der NIR
Spektroskopie in der Qualitätssicherung für Lebensmittel. GIT Fachz. Lab. 39, Nr. 9, 785–788 (1995). Seemann, F.: LABO August 1983, 747. Bünning
Pfaue, H., und C. Urban: Untersuchung von Fleischerzeugnissen mittels NIR
Spektrometrie und deren Leistungsparameter. GIT Fachz. Lab. 39, Nr. 9, 775–782 (1995). Molt, K.: FT
IR
, NIR
und Raman
Spektroskopie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 9, Ml
M12(1994). Seibel, W, und E. Rabe: Backwaren. Einteilung und Analytik. Labor 2000, 184–196 (1987). Isengard, H.
D.: Wasserbestimmung in Lebensmitteln nach Karl Fischer. GIT Fachz. Lab. 39, Nr. 9, 792–794 (1995). Isengard, H.
D., und Th. Krahl: Feuchtebestimmung – eine Übersicht. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 3, 158–160 (1994). Böhme, W, W. Liekmeier, K. Horn und C. Wilhelm: Wasserbestimmung mit NIR
Spektroskopie. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 86–89 (1990). Krahl, T: Schnelle Feuchtebestimmung. Neuheiten und Trends. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 4, 317–320(1994). Winter, B.: Intelligentes Sortieren. Berührungslose, automatisierte Erkennung von Kunststoffen. Process 2, Nr. 9, 56–57 (1995). Sawatzki, J.: FT
Raman
Spektroskopie – Die Renaissance einer vielseitigen Analysenmethode. GIT Facbz. Lab. 8, 686–687 (1993). Hirschfeld, T., und D.B. Chase: Applied Spectroscopy 40,133 (1986). Williams, K.P.J., G.D. Pitt, D.N. Batchelder und B.J. KiP: Confocal Raman Micro
spectroscopy Using a Sigmatic Spectrograph and CCD Detector. Applied Spectroscopy 48, No. 2, 232–235 (1994). Vogt, H.: FT
Raman – eine sinnvolle Methode? Labor Praxis Special: Chromatographie/ Spektroskopie, 147–148 (1989). Davtes, A.N.: Ordinary Trouble with Raman? Spectroscopy Europe 7, No. 5, 26–29(1995). Garton, A., D.N. Batchelder und C. Cheng: Raman Microscopy of Polymer Blends. Applied Spectroscopy 47, No. 7, 922–927 (1993). Alkemade, C.Th.J.: Appl. Sei. Res. Sect. B4, 289 (1955). Walsh, A., Spectrochim Acta 7, 108 (1955). Pohl, B., B. Horstkotte und U. Steeg: LaborPraxis März 1992, 230. Gouy, G.L.: Ann. Chim. Phys. 18, 5 (1879). Dymott, T. C, D. S. Widmer und O. Heisz: Die Probenzerstäubung in der AAS. Labor Praxis 7, Nr. 10, 954–964 (1983). Steglich, F.: Optimierung flammenatomabsorptionsspektrometrischer Verfahren bei der analytischen Überwachung galvanischer Goldbäder. Galvanotechnik 79, Nr. 3, 762–769 (1988).

512 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12 9.13 9.14 9.15 9.16 9.17 9.18 9.19 9.20 9.21

9.22 9.23 9.24 9.25 9.26 9.27 9.28 9.29 9.30 9.31 9.32

9.33 9.34 9.35 9.36 9.37 9.38 9.39 9.40 9.41

Литература L’vov, B.V.: Inzh. Fiz. Zh. 2, 44 (1959). L’vov, B.V.: Spectrochim. Acta 17, 761 (1961). Massmann, H.: Spectrochim. Acta 23B, 215 (1968). Harnley, J., und J. Holcombe: Anal. Chem. 57, 1983 (1985). Langmyhr, F.J.: Z. Anal. Chem. 322, 654 (1985). Völlkopf, U., Z. Grobenski, R. Tamm und B. Welz: Analyst 110, 573 (1985). Schulze, H.: Rationelle Überwachung von Metallspuren. CAV Nr. 2, 23–26 (1979). Chang, S.B., und C.L. Chakrabarti: Prog. Anal At. Spectrosc. 8, 83 (1985). L’vov, B.V., V.G. Nikolaev, E.A. Normann, L.K. Polzik und M. Mojica: Spectrochim. Acta 41B, 1043 (1986). Schlemmer, G., und H.D. Schulze: AAS – 33 Jahre alt und immer noch jung. Labor 2000, 170–180(1987). Welz, B., Z. Anal. Chem. 279, 103 (1976). Völlkopf, U., Z. Grobenski und B. Welz: GIT Fachz. Lab. 26, 444 (1982). Küllmer, G., und P.J. Whiteside: Pyrographitrohre (TPC) für die AAS. Labor Praxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 156–163 (1986). L’vov, B. V: Spectrochim. Acta 33B, 153 (1978). Völlkopf, IL, R. Lehmann und D. Weber: Metallspurenbestimmung in Kunststoffen mit der «Cup
in
Tube»
Technik. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 182–187(1986). Schlemmer, G.: Graphitrohrofen
AAS: auf dem Weg zu absoluter Analyse. Nachr. Chem. Tech. Lab. 57, Nr. 11, 1138–1149 (1989). Schrammel, R: Anal. Chim. Acta 72, 414 (1974). Reid, R.D., und E.H. Piepmeier, Anal. Chem. 48, 338 (1976). Edinger, R.D.: At. Absorpt. Newsl. 14, 127 (1975). Hatch, W.R., und W.L. Оtt: Anal. Chem. 40, 2085 (1968). Piwonka, J., G. Kaiser und G. Tölg: Fresenius Z. Anal. Chem. 321, 225 (1985). Dedlxa J., und I. Rubeska: Spectrochim. Acta 35B, 119 (1980). Kurfürst, U., und B. Rues: Quecksilberbestimmung direkt aus dem Feststoff. LaborPraxis 6, Nr. 10. 1094–1099 (1982). Tasche. H.. M. Otto, Th. Grünberg, C. Ahlemeyer und K. E. von Mühlendahl: Queck
silberanalvtik im unteren Nanogrammbereich. GIT Fachz. Lab. 37, Nr. 5,411–413 (1993). SLaVIN, W., und D. C. Manning: Anal. Chem. 51, 2, 261 (1979). BeSse. A.. A. Rosopulo, C. Busche und G. Küllmer: Feststoff
AAS mit Deuterium
Untergrundkompensation. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 102–107 (1987). Liddel, RR., N. Athanasopoulous und R. Grey: LaborPraxis Januar 1987, 34. Slavin, W., G.R. Carnick, D.C. Manning und E. Pruskowska: At. Spectrosc. 4, 69 (1983). Liddel, RR.: Anal. Chem. 48,1931 (1976). Koirtyohann, S.R.: Anal. Chem. 37, 601 (1965). Hadeishi, T.: Appl. Phys. Lett. 21, 438 (1972). Kurfürst, U.: 20 Jahre Zeeman
AAS. Labor 2000, 80–91 (1989). Fernandez, F.J., S.A. Myers und W. Slavin: Anal. Chem. 52, 741 (1980). Wirz, R, U. Kurfürst und K.
H. Grobecker: LaborPraxis Januar 1980, 16. Knowles, M., und E. Vanclay: Zeeman
Graphitrohr
AAS. Auswahlkriterien für den Anwender. LaborPraxis 17, Nr. 8, 50–57 (1993).

Литература

513

9.42 Kurfürst, U.: Untersuchungen über die Schwermetallanalyse in Feststoffen mit der Di
rekten Zeeman
Atom
Absorptions
Spektroskopie. Fresenius Z. Anal. Chem. 315, 304 (1983). 9.43 De Loos
Vollebregt, M.T.C., und L. de Galan: Spectrochim. Acta 35B, 495 (1980). 9.44 De Loos
Vollebregt, M.T.C., und L. de Galan: Spectrochim. Acta 33B, 954 (1978). 9.45 Schlemmer, G., W. Schrдder und H. Schulze: Neues Konzept für die Graphitrohr
AAS. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 107–111 (1991). 9.46 Fernandez, F.J.: At. Spectrosc. 2, 3, 73 (1981). 9.47 Grobecker, K.
H., und B. Klüssendorf: Routinebestimmung von Spurenelementen mit der ZAAS. Labor Praxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 214–217 (1986). 9.48 Völlkopf, IL, und H. Schulze: LaborPraxis Juli 1982, 410. 9.49 Fernandez, F.J., W. Bohler, M.M. Beaty und W.B. Barnett: At. Spectrosc. 2, 73 (1981). 9.50 Smith, S.B., und G.M. Hieftje: Appl. Spectrosc. 37, 419 (1983). 9.51 Schulze, H.: Die neue Qualität der Routuine
AAS. LaborPraxis Special: Chromatogra phie/Spektroskopie, 149–151 (1987). 9.52 Whiteside, P.J., T.J. Stockdale, J. W. Price und G. Küllmer: LaborPraxis April 1983, 284. 9.53 Brauner, J., und H. de Laffolie: Anwendung der Lichtleitertechnik in de Spektrometrie. Chromatographie/Spektroskopie ’91, 86–89. 9.54 Schulze, H.: Höhere Produktivität in der Metallspurenanalytik. LaborPraxis 19, Nr. 2, 30–39(1995). 9.55 Barber, T. E., P. E. Walters, M. W. Wensing und J. D. Winefordner: Spectrochim. Acta 46B, 1009 (1991). 9.56 Frenzel, W.: Separationstechniken in der Fließinjektionsanalyse. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 4, 456–460 (1993). 9.57 Ruzicka, J., und E.E Hansen: Anal. Chem. Acta 78, 145 (1975). 9.58 Schulze, H., und J. Baasner: Hoher Probendurchsatz garantiert. Vollautomatische Quecksilber
Spurenbestimmung mit Fließinjektions
Kaltdampf
AAS. CAV Chemie Anlagen Verfahren 4, 92–94 (1994). 9.59 Schrader, W., und H. Schulze: FIAS – Die Innovation für die AAS. Chromatographie/ Spektroskopie, 108–110 (1990). 9.60 Fang, Z., und B. Welz: J. Anal. Spectrom. 4, 83 (1988). 9.61 Elspass, R., LaborPraxis April 1992, 328. 9.62 Projahn, H.
D., und A. Keim: Intelligentes Fließsystem für die Flammen
AAS. LaborPraxis 19, Nr. 6, 48–54 (1995). 9.63 Bernd, H.: Fresenius Z. Anal. Chem. 331, 321 (1988). 9.64 N.N.: Ein Hochdruckfließ
und Hochdruckzerstäubungssystem zum Probeneintrag in der Atomspektrometrie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 40, Nr. 7/8, 820–828 (1992). 9.65 Blödorn, W.: Atomspektrometrie: Anreicherungs
und Abtrenntechniken. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 11, 1252–1258 (1993). 9.66 Knapp, G., und M. Michaelis: CLB Chemie Labor Biotechnik 44, 56 (1993). 9.67 Werner, R. W.: Gesetzesvorschrift für die Reinhaltung der Laborluft. Labor 2000, Ausgabe 1995, 134 und 151–155. 11.1 Ohls, K.: 30 Jahre hochfrequente Plasmaflammen. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 5, 572–577 (1993). 11.2 Veprek, S.: Plasmachemie heterogener Systeme. Nachr. Chem. Tech. Lab. 36, Nr. 3, 248–258 (1988). 11.3 Mandelstam, S. Spectrochim. Acta 15, 255 (1959). 11.4 Greenfield, S., I.L. Jones und CT. Berry. Analyst 89, 713 (1964).

514 11.5 11.6 11.7 [11.8 11.9 11.10 11.11 11.12 11.13 11.14 11.15 11.16 11.17 11.18 11.19 11.20 11.21 11.22 11.23 11.24

11.25 11.26 11.27 11.28 11.29

11.30 11.31 11.32 11.33

Литература Fassel, V. A., und R.H. Wendt. Anal. Chem. 37, 920 (1965). Leb, F., und J.A.C. Broekert: Fresenius Z. Anal. Chem. 333, 2 (1989). Masamba, W.R.I., B.W. Smith und J.D. Winefordner: Appl. Spectrosc. 46, 1741 (1992). Camman, K., und H. Mьller: Fresenius Z. Anal. Chem. 331, 336 (1988). Beenakker, C.I.M: Spectrochim. Acta 31B, 483 (1976). Röhl, R.: Mikrowelleninduzierte Plasmen und Atomemissionsspektrometrie. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 188–193 (1986). Camman, K., L. Lendero, H. Feuerbacher und K. Ballschmiter: Fresenius Z. Anal. Chem. 316,194 (1983). Kollotzek, D., D. Oechsle, G. Kaiser, P. Tschöpel und G. Tölg: Fresenius Z. Anal. Chem. 318, 485 (1984). Fono, A., S. Birch, T. Schmidt und H. Billhofer: LaborPraxis Juni 1991, 512. Backhaus, G.: Weiterentwicklungen in der ICP
Technik, LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 152–159 (1987). Nölte, J.: ICP
OES
Analyse mit Ultraschallzerstäuber. LaborPraxis 17, Nr. 2, 46–50 (1993). Pohl, B., und R. Bombelka: Gesicherte ICP
Analysen durch vollautomatische Qualitдtssicherung. GIT Fachz. Lab. 37, Nr. 11, 981–986 (1993). Nölte, J.: LaborPraxis April 1992, 332. Lautenschläger, W: ICP mit Echelle
Gitter
Anordung. LaborPraxis Special: Chromato graphie/Spektroskopie, 178–181 (1986). Kolczynski, J.D., D.A. Radspinner, R. S. Pomeroy, M.E. Baker, J.A. Norris, M. B. Moran und M. J. Pilon: International Laboratory, Mai 1991, 49. Nölte, J.: Spektrometer mit CCD
Detektoren. Neue Möglichkeiten in der ICP
Emission. LaborPraxis 17, Nr. 6, 70–77 (1993). Reipke, J., und U. Jerono: Klärschlammanalyse mit einem Multisimultan ICP Spektrometer. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 2, 100–101 (1994). Jagdt, S., und H. Schlesing: Erprobung eines Multielement
ZAAS. LaborPraxis 13, Nr. 11, 1036–1039(1989). Brauner, J., und H. de Laffolie: Anwendung der Lichtleitertechnik in der Spektrome
trie. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 86–89 (1991). Bewertunge, J., J. Brauner, P. Friedhoff, M. Heinen, K.
J. Kremer und K. A. Slickers: Weiterentwicklung der Emissionsspektrometrie durch die Anwendung der Lichtleitertechnik und der Elektronik. Stahl und Eisen 106, 575–581 (1986). Bohle, W, T. Brandt, H. Falk und S. Wolf: Optisches Plasma
Interface fьr ICP
OES bis in den Vakuum
UV
Bereich. GIT Fachz. Lab. 8/95, 715–716. Nölte, J.: CLB Chemie in Labor und Biotechnik 42, 72 (1991). Backhaus, G.: LaborPraxis Oktober 1991, 854. Kollotzek, D., P. Tschöpel und G. Tölg: Spectrochim. Acta 39B, 625 (1984). Brenner, LB., A. Zander, S. Kim und A. Henderson: Direct Solids Analysis of Geological and Related Non
Conducting Materials Using Spark Ablation and Slurry Nebulisation. Spectroscopy Europe 7, No. 4, 24–32 (1995). Brenner, I. B., A. Zander, S. Kim und A. Henderson: Spectroscopy Europe 7, No. 4,24 (1995). Boumans, P.W.J.M., J.A.C. Broekert und K. Marcus: Analytical Atomic Spectrome
try: Use and Exploration of Low Pressure Discharges. Spectrochim. Acta, Hefte 2 und 4 (1991). Ko, J.B.: Spectrochim. Acta 39B, 1405 (1984). Grimm, W.: Spectrochim. Acta 23B, 443 (1968).

Литература

515

11.34 Singer, R.: Universelle Analyse von Oberflächen. LaborPraxis 19, Nr. 10, 78–79 (1995). 11.35 Heyner, R., S. Männel und G. Marx: GDOS
Tiefenprofil und Spurenanalyse. Labor Praxis 19, Nr. 9, 28–34 (1995). 11.36 Winchester, M.R., C. Lazir und R.K. Marcus: Spectrochim. Acta 46B, 483 (1991). 11.37 Leis, R: Glimmentladungen in der analytischen Atomspektrometrie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 9, 967–972 (1995). 11.38 Löbe, K., und H. Lucht: Millisekundenschnelle Multielementanalyse. LaborPraxis 19, Nr. 4, 92–102 (1995). 11.39 Falk, H., E. Hoffmann und Ch. Lüdke: Spectrochim Acta 39B, 283 (1984). 11.40 Brauner, J.: LaborPraxis März 1992, 236. 11.41 Maassen, J.R., und M.W. routh: Gegenüberstellung verschiedener AAS
und AES
Techniken. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 153–157 (1989). 11.42 Tyler, G.: ICP
MS, or ICP
AES and AAS? A Comparison. Spectroscopy Europe 7, No. 1,14–22(1995). 11.43 Blödorn, W, T. Rippert, D. Thierig und H. Unger: Spuren
und Elementanalyse von Stählen und Ferrolegierungen. Emissionsspektrometrie mit ICP
Anregung. LaborPraxis 16, Nr. 10,982–987(1992). 11.44 Schmiding, T., B. Pohl und R. Bombelka: Bestimmung von Blei in Paprikapulver. Ver
gleich von Flammen
AAS, Graphitrohr
AAS und ICP
OES. GIT Fachz. Lab. 39, Nr. 6, 569–571 (1995). 11.45 Houk, R.S., VA. Fassel, G.D. Flesh, H. Svec, A.L. Gray und C.E. Taylor: Anal. Chem. 52, 2283(1980). 11.46 Gray, A.L., und A.R. Date: Analyst 108, 1033 (1983). 11.47 Gray, A.L.: Spectrochim. Acta 40B, 1525 (1985). 11.48 Goordon, J.S.: Phys. Bull. 39, 277 (1988). 11.49 Hutton, R. C: LaborPraxis April 1989, 286. 11.50 Hoffmann, H.
J.: LaborPraxis Juni 1988, 664. 11.51 Dietze, H.
J., und S. Becker: Massenspektrometrische Festkörperanalyse. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 5, 563–568 (1995). 11.52 Kuss, H.
M.: Spurenelementanalytik von Stählen mit ICP
MS. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 7/8, 804–808(1995). 11.53 Bombelka, R., und B. Pohl: Vereinfachte Spurenanalvtik per ICP
MS. LaborPraxis 19, Nr. 10, 80–86 (1995). 11.54 Hoffmann, H.
J.: Einsatz der ICP
MS in der Wasseranalytik. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 142–146 (1989). 11.55 Hutton, R. C.: LaborPraxis Special Chromatographie/Spektroskopie ’90, 98. 11.56 Jin, Q., C. Zhu, M.W. Borer und G. Hieftje: Spectrochim. Acta 46B, 417 (1991). 11.57 Jakubowski, N., D. Stüwer und G. Tölg: Spectrochim. Ada 46B, 155 (1991). 12.1 Broekert, J.A.C, und G. Tölg: Fresenius Z. Anal. Chem. 326. 495 (1987). 12.2 Hübschmann, H.
J.: ECD
MS: Über Funktion und Einsatz der Detektion negativer Ionen in der Rückstandsanalytik. GITFachz. Lab. 39, Xr. 5. 434–438 (1995). 12.3 Rauch, W, U. Tegtmeyer und R. Schlögl: Ionen
Molekül
Massenspektrometrie (IMR
MS). GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 2, 93–98 (1994). 12.4 Karras, M., und F. Hillenkamp: Anal. Chem. 60, 2299 (1988). 12.5 Paulus, G., und M. resch: Molmassen
Bestimmung mittels MALDI
MS. Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 7/8, 719–722 (1994).

516

Литература

12.6 Krüger, R.: Molmassenbestimmung mittels MALDI
MS. Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, Nr. 7/8, 719–722 (1994). 12.7 Dawell, M. A.: MS
ohne geht nichts mehr in der Proteinchemie. LaborPraxis 19, Nr. 10, 46–49 (1995). 12.8 Krüger, R.
R: MALDI
TOF
MS synthetischer Polvmere. GIT Fachz. Lab. 39, Nr. 3, 189–194(1995). 12.9 Lattimer, R.P., und H.R. Schulten: Anal. Chem. 61, 1201 (1989). 12.10 Barber, M., R. S. Bordoli, R.D. Sedgwick und A.N. Tylor: Nature 293, 270 (1981). 12.11 Röllgen, F.W: «Fast AtomBombardement»
Massenspektrometrie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 31, Nr. 3, 174–177 (1983). 12.12 Tuszynski, W., und E. Hilf: Plasma
Desorptions
Massenspektrometrie. Labor 2000, 99–103 (1989). 12.13 Becker, J.S., und H.
J. Dietze: Fresenius J. Anal. Chem. 344, 69 (1992). 12.14 Karas, Mv und U. Giessmann: Matrix
unterstützte Laserdesorptions
Massenspektro
metrie. Labor 2000, 71–83 (1992). 12.15 Dietze, H.
J., und S. Becker: Massenspektrometrische Festkörperanalyse. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 5, 563–568 (1995). 12.16 Illenberger, E.: Massenspektrometrie mit negativen Ionen. LABO 15, Nr. 8, 868–870 (1984). 12.17 Johnson, J.V., und R.A. Yost: Tandem Mass Spectrometry in Trace Analysis. Anal. Chem. 758A, 57(1985). 12.18 Schubert, R.: Triple
Stage
Quadrupol
Massenspektrometrie. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 108–121 (1987). 13.1 Bloch, F.: Phys. Reu 70, 460 (1946). 13.2 Decker, E. D.: Analyt. Chem. 295A, 65 (1993). 13.3 Karaghiosoff, K., H.A. Mayer und B. Costisella: Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 9, 966 (1995). 13.4 Asche, W.: Aus der Geschichte der NMR. 50 Jahre Kernresonanz. LABO 26, Nr. 1, 126–128 (1995). 13.5 Seimet, U.: Dynamische Moleküle im NMR. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 5, 584–586 (1993). 13.6 Roth, K.: NMR
Spektroskopie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 37, Sonderheft Spektroskopie, 249–260 (1989). 13.7 Günther, H.: Spektrum Wiss. 24, 30 (1991). 13.8 Glaser, S. J.: Entwicklung maßgeschneiderter Multipuls
Experimente für die NMR
Spektroskopie biologischer Makromoleküle. GIT Fachz. Lab. 37, Nr. 8, 677–678 (1993). 13.9 Oschkinat, H.: Angew. Chem. 106, 284 (1994). 13.10 Meusinger, R., und H. Schindlbauer: Struktur
Eigenschaftsbeziehungen von Vielstoff
gemischen (Oktanzahlbestimmung mit Hilfe der NMR
Spektroskopie. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 2, 115–116(1994). 13.11 Rapp, A., und A. Markowetz: Anwendung der NMR
Spektroskopie in der Weinanalytik. Labor 2000, 113–120 (1991). 13.12 Meusinger, R., R. Hommel und U. Hlmmelreich: In vivo NMR des Kohlenhydratstoff
wechsels von Candida apicola. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 4, 363–366 (1994). 13.13 Leibfritz, D.: Medizinische Anwendungen der NMR
Spektroskopie. Labor 2000, 50–60 (1991). 13.14 Ernst, H., D. Freude, H. Pfeifer und I. Wolf: Multinuclear Solid
State NMR. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 6, 708–710 (1994).

Литература

517

13.15 Blümler, R., und B. Blümich: NMR of Polymers in the Solid
State. Spectroscopy Europe 7, No. 3,8–16(1995). 13.16 Spiess, H.W.: NMR
Spektroskopie von Makromolekülen. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 2, 204–205(1995). 14.1 Berrie, P. G.: Hochpräzis bei dünnen Schichten. Das Röntgenfluoreszenz
Verfahren zur Messung galvanischer Schichten. Industrieanzeiger, Nov. 334–337 (1986). 14.2 Schäfer, W.: LaborPraxis 7, Nr. 9, 786 (1983). 14.3 Knipping, B., M. G. Siemann und K. Herrmann: Analyse von Bodenproben und Abfällen per RFA mit RDA. LaborPraxis 18, Nr. 11, 78–82 (1994). 14.4 Röd: Über 50 Jahre Röntgenanalytik. LaborPraxis 17, Nr. 9, 40–42 (1993). 14.5 Koch, K.H., K. Ohls und J. Flock: Rationalisierung der Multi
Elementanalytik durch Einsatz der RFA. LaborPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 120–124 (1991). 14.6 Haschke, M., M. Brumme und J. Heckel: Neue Möglichkeiten der energiedispersiven Röntgenfluoreszenzanalyse. LaborPraxis 15, Nr. 9, 736–740 (1991). 14.7 Ollmann, B., und H. Hölzer: Röntgenfluoreszenzanalyse. Kontrolle 6, 183–185 (1985). 14.8 Warner, T., H. Rethfeld und A. Jannsen: RFA zur Mineralstoffbestimmung in Trinkwasser. LaborPraxis 19, Nr. 6, 66–69 (1995). 14.9 Van de Kemenade, J.: Röntgenanalyse – die ersten 100 Jahre (1985–1995). Labor 2000, Ausgabe 1995, 48–53. 14.10 De Jongh, W.K., H.
P. Schäfer und U. Medune: Semiquantitatives Verfahren für die XRF
Analyse. LaborPraxis 13, Nr. 10, 870–872 (1989). 14.11 Wobranschek, R., und H. Aiginger: Spectrochim. Acta 35B, 607 (1980). 14.12 Knoth, J., und H. Schwenke: Fresenius Z. Anal. Chem. 301, 7 (1980). 14.13 Prange, A.: Totalreflexions
Röntgenfluoreszenz. Nachr. Chem. Tech. Lab. 41, Nr. 1, 40–45 (1993). 14.14 Gühring, W.H.: Meßverfahren und Geräte zur Dickenmessung metallischer Schichten. Galvanotechnik 72, Nr. 10, 1059–1071 (1981). 14.15 Lehmann, W.: Exakte Schichtdicken
Messung mittels Röntgenfluoreszenz. Metalloberfläche 39, Heft 3, 85–88 (1985). 14.16 Paatsch, W.: Verfahren zur Dickenmessung sehr dьnner Schichten. Galvanotechnik 68, Nr. 10, 865–870 (1977). 14.17 Gollan, D., G. Haschke und V. Rößinger: Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) galvanischer Messingüberzüge auf Drähten. Metalloberfläche 37, Nr. 12, 496–499 (1983). 14.18 Kikkert, J., und J. Höhler: Neuere Entwicklungen in der Röntgenspektrometrie. La borPraxis Special: Chromatographie/Spektroskopie, 174–177 (1986). 14.19 Kikkert, J., und H. Höhler: Neuere Entwicklungen in der Röntgenspektrometrie. La borPraxis Special Chromatographie/Spektroskopie ’86, 174–177. 14.20 Untenecker, H., S. Jentsch und B. Diebel: Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) leichter Elemente in pastenartigen Proben. GIT Fachz. Lab. 39, Nr. 6, 577–581). 14.21 N.N.: C
, N
und O
Analyse mit RFA. LaborPraxis 17, Nr. 10, 84–85 (1993) 15.1 Kanani, N.: Oberflächenanaylse: technische Möglichkeiten, praktische Anwendungen. Galvanotechnik 86, Nr. 5, 1526–1534 (1995). 15.2 Matthieu, H.J.: Moderne Oberflächen
Analysenmethoden. Oberfläche/Surface 24, 78–82 (1983). 15.3 Koch, M., und K. Schwitzgebel: Untersuchung von Oberflдchen mit Licht
, Röntgen
und Elektronenstrahlen. Metalloberfläche 20, Nr. 6, 253–260 (1966).

518

Литература

15.4 Schäfer, W.: Energiedispersive Röntgenmikroanalyse am Rasterelektronenmikroskop. LaborPraxis 7, Nr. 9, 786–796, Nr. 10, 946–952 (1983). 15.5 Hantsche, H.: Energiedispersive Röntgenmikroanalyse – Anwendungsgebiete, Grenzen und Fehlermöglichkeiten. GIT Fachz. Lab. 25, 682–698 (1981). 15.6 Niecke, M.: PIXE
Pikogramm
Protonenmikrosonde. Labor 2000, 94–102 (1991). 15.7 Jitschin, W.: Physik in unserer Zeit 20, 35 (1989). 15.8 Hofmann, S.: Microchimica Acta 7,109 (1977). 15.9 Landolt, D.: Elektrochemie und Oberflächenchemie von Metallen. Material und Technik Nr. 1,72–76(1985). 15.10 Frommeyer, G,. und H.
J. Sölter: Anwendung spektroskopischer Analysenmethoden für Oberflächen
und Grenzschichten. Teil 1. Scanning Auger Microscopy. Metalloberfläche 33, Nr. 12, 546–550 (1979). 15.11 Kaufmann, R., und H. Höcker: XPS eine Methode zur Charakterisierung von Faser
veränderungen in der Oberfläche. GIT Fachz. Lab. 38, Nr. 4, 348–352 (1994). 15.12 Siegbahn, K., und K. Edvarson: Nucl. Phys. 1, 137 (1956). 15.13 Hagstrцm, S.: VakuumTechnik 2, 46 (1974). 15.14 Benninghoven, A.: Surface Science 53, 596 (1975). 15.15 Frommeyer, G., und H.
J. Sölter: Anwendung spektroskopischer Analysenmethoden für Oberflächen
und Grenzschichten. Teil 2. ESCA, SIMS, ISS, LEED, Raman
Spectros
copy. Metalloberfläche 34, Nr. 1, 19–23 (1980). 15.16 Persch, G., und H. Strecker: Das Rastertunnelmikroskop. Labor 2000, 72–79 (1989). 15.17 Binnig, G., und H. Rohrer: Scanning Tunneling Microscopv. Helv. Phys. Acta 55, 726 (1982). 15.18 Williams, C.C., und H.K. Wickramasinghe: Appl Phys. Lett. 49, 1587 (1986). 15.19 Dührig, U., D. Pohl und F. Rohner: IBM J. Res. Develop. 30, 478 (1986). 15.20 Binnig, G., C.F. Quate und Ch. Gerber: Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986). 15.21 Fowler, R.H., und L. Nordheim: Electron Emission in Intense Electric Fields. Proc. Roy. Soc. Lond. A 119, 173 (1928). 15.22 Binnig, G., und H. Rohrer: Scanning tunneling microscopy. IBM J. Res. Develop. 30, No. 4, July 1986, 355–369. 15.23 Friedbacher, G.: Rasterkraftmikroskopie. Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, Nr. 3, 342–346 (1995). 15.24 Frommer, J.: Angew. Chem. 104,1324 (1992). 15.25 Martin, Y., D. Rugar und H.K. Wickramsinghe: Appl. Phys. Lett. 52, 244 (1988). 15.26 Göddenhenrich, T.: Rasterkraft
und Magnetokraft
Mikroskopie. Labor 2000, 164–169 (1992). 15.27 Ricken, C., K. Borgwarth, D.G. Ebling und J. Heinze: Das Raster
Elektrochemische Mikroskop (SECM). GIT Fachz. Lab. 8/95, 730–731. 16.1 Ohls, K. D., H. Edel und K. Cammann: High
Tech fьrs Labor. Neue instrumenteile Methoden, die noch nicht gerдtetechnisch vermarktet sind. Hier: Varianten der spektroskopischen Analyse. LABOTREND ’95, 4–10.

Дополнительная литература К главе 1: Bernabei, D..: Sicherheit – Handbuch für das Labor. GIT
Verlag 1993. Kromidas, S.: Qualität im analytischen Labor. Weinheim: VCH
Verlag, 1995. Söhngen, K.: QualitätssicherungsHandbuch. Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong: Springer
Verlag, 1995. Christ, G. A., F.J. Harston und H.W. Hembeck: GLР – Handbuch für Praktiker. GIT
Verlag, 1992. Huber, L.: Gute LaborPraxis (GLP) – Ein Leitfaden. Hewlett
Packard Publ. 1993. Fusfeld, H.I.: Industry’s Future – Changing Patterns of Industrial Research. Washington, DC: American Chemical Society, 1994. Sargent, M. und G. Mackey: Guideline for Achieving Quality in Trace Analysis. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 1995. Schwedt, G.: Analytische Chemie – Methoden und Praxis. Stuttgart: Thieme
Verlag, 1995. Koch, O. G. und G. A. Koch
Dedic: Handbuch der Spurenanalyse. Berlin: Springer
Verlag, 1974. Krull, I.
S.: Trace Metal Analysis and Speciation. Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1992. Otto, M.: Analytische Chemie. Weinheim: VCH
Verlagsgesellschaft, 1995. Smyth, M. R.: Chemical Analysis in Complex Matrices. Chichester: Ellis Horwood, 1992. Bliefert, C: Umweltchemie – schneller Einstieg. Weinheim: VCH
Verlag, 1994. Hulpke, H., H. Hartkamp und G. Tölg: Analytische Chemie für die Praxis: Umweltanalytik – Eine allgemeine Einführung. Stuttgart: Thieme Verlag, 1988. Arendt, G.: Analytik bei Abfallentsorgung und Altlasten. Düsseldorf: VDI
Verlag, 1991. Fabian, R: Atmosphäre und Umwelt; Chemische Prozesse, menschliche Eingriffe. Berlin: Springer
Verlag, 1985. Schwedt, G.: Mobile Umweltanalytik. Würzburg: Vogel Buchverlag, 1994. Stoeppler, M.: Probennahme und Aufschluß. Basis der Spurenanalytik. Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong: Springer
Verlag, 1994. Günzler, H., und R. Borsdorf: Analytiker Taschenbuch. Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong: Springer
Verlag, 1994. Richardson, M.: Ecotoxicology Monitoring. Weinheim: VCH, 1993. К главе 2: Schmidt, W.: Optische Spektroskopie – Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Techniker. Weinheim, New York, Basel, Cambridge, Tokyo: VCH Verlagsgesellschaft, 1994. Perkampus, H.
H.: Encyclopedia of Spectroscopy. Weinheim: VCH
Verlagsgesellschaft, 1995. Andrews, D. L., und A. M. C. Davies: Frontiers in Analytical Spectroscopy. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 1995. Staab, H. A.: Einführung in die theoretische organische Chemie. Weinheim: Verlag Chemie. К главе 3: Perkampus, H.
H.: UVVIS Atlas of Organic Compunds. Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft, 1992. Perkampus, H.
H.: UVVISSpektroskopie und ihre Anwendungen. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer
Verlag, 1986. Svehla, G.: Analytical Visible and Ultraviolet Spectrometry, Vol. XIX. Comprehen. Analytic. Cehm. Amsterdam: Elsevier, 1986. Talsky, G.: Derivative Spectropbotometry. Weinheim: VCH
Verlagsgesellschaft, 1994.

520

Дополнительная литература

К главе 4: Baeyens, W.R.G., D. de Keukeleire und K. Kordikis: Luminiscence Techniques in Chemical and Biochemical Analysis. New York: Marcel Dekker, 1991. Lakowicz, J. R.: Principles of Fluorescence Spectroscopy. New York, London: Plenum Press, 1983. schwedt, G.: Fluorometrische Analyse. Weinheim: Verlag Chemie, 1981. Wolfbeis, O.S.: Fluorescence Spectroscopy – New Methods and Applications. Heidelberg: Springer
Verlag, 1993. К главе 5: Barrow, G. M.: Introduction to Molecuar Spectroscopy. McGraw
Hill 1962. Ferraro, J. R. und L. J. Baisle: Fourier Trans form Infrared Spectroscopy. Academic Press, New York 1978. Griffith, P. R. und J. A. DeHaseth: Fourier Trans form Infrared Spectroscopy. John Wiley & Sons, New York 1986. Harrick, N.J.: Internal Reflection Spectroscopy. Scientific Corporation, Ossining, New York 1987. Kortüm, G.: Reflexionsspektroskopie. Springer Verlag, Berlin 1969. Pao, Y.
H.: Optoacoustic Spectroscoy and Detection. Academic Press 1977. Roeges, N.P.G.: A Guide to the Complete Interpretation of Infrared Spectra of Complex Structures. John Wiley & Sons Ltd, Chichester 1994. Rosenwaig, A.: Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy. Wiley 1980. Schrader, B.: Infrared and Raman Spectroscopy. VCH, Weinheim 1994. Weitkamp, H. und R. Barth: Einführung in die Infrarotspektroskopie. Thieme
Verlag, Stuttgart 1976. К главе 6: Burns, D.A. und E.W. Ciurczak: Handbook of NearInfrared Analysis Practical Spectroscopy. New York: Marcel Dekker Inc., 1992. Osborne, B. G., T. Fearn und P. H. Hindle: Practical NIR Spectroscopy with Applications in Food an Beverage Analysis. Longman Scientific & Technical, 1993. К главе 7: Andrews, D. L.: Applied Laser Spectroscopy. Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft, 1992. Schrдder, B.: Infrared and Raman Spectroscopy. Weinheim: VCH, 1994. К главе 8: Chantry, G.W: Modern Aspects of Microwave Spectroscopy. London: Academic Press, 1979. Gordy, W. und R. L. Cook: Microwave Molucular Spectra. New York John Wiley & Sons, 1984. Varma, R. und L.W. Hrubesh: Chemical Analysis by Microwave Rotational Spectroscopy. New York: John Wiley & Sons, 1979. К главе 9: Dedina, J. und D. L. Tsalev: Hydride Generation Atomic Absorption Spectrometry. Chichester: John Wiley & Sons, 1995. Fang, Z.: Flow Injection Separation and Preconcentration, Weinheim: VCH
Verlagsgesellschaft, 1993. Grobecker, K.
H. und U. Kurfürst: Fortschritte in der atomspektrometrischen Spurenanalytik. Weinheim: Verlag Chemie, 1984. Welz, B.: Atomabsorptionsspektrometrie. VCH, Weinheim 1990.

Дополнительная литература

521

К главе 11: Adams, F., R. Gijbels und R. Klockenkämper: Inorganic Mass Spectrometry. New York: John Wiley & Sons, 1988. Boumans, RWJ. M.: Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy, Part I und IL New York, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore: John Wiley & Sons 1987. Boumans, RW.J. M.: Line Coincidence Tables for Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry. Oxford: Pergamon Press, 1984. Montaser, A. und D.W. Golightly: Inductively Coupled Plasmas in Atomic Spetrometry. New York: VCH
Verlagsgesellschaft, 1992. Winge, R.K., V.A. Fassel, V.J. Peterson und M. A. Floyd: Inductively Coupled PlasmaAtomic Emission Spectroscopy. Amsterdam: Elsevier, 1985. К главе 12: Budzikiewicz, H.: Massenspektrometrie – eine Einführung. Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft, 1992. Busch, K.L., G.L. Glisch und S.A. McLuckey: Mass Spectrometry. VCH Publishers, 1988. Holland, G. und A. N. Eaton: Applications of Plasma Source Mass Spectrometry. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 1993. McLafferty, F. E.: Tandem Mass Spectrometry. New York: John Wiley, 1983. McLafferty, F. W. und F. Turecek: Interpretation von Massenspektren. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag. Vertes, A., R. Gijbels und F. Adams: Laser lonization Mass Analysis. Chichester: Wiley & Sons, 1993. К главе 13: Abraham, R. J.: Introduction to NMR Spectroscopy. Chichester: Wiley & Sons, 1988. Blümich, B. und W. Kuhn: Magnetic Resonance Microscopy – Methods and Applications in Material Science, Agriculture and Biomedicine. Weinheim: VCH
Verlagsgesellschaft, 1992. Breitmaier, E.: Vom NMRSpektrum zur Strukturformel organischer Verbindungen. Stuttgart, Leipzig: B. G. Teubner Verlag GmbH, 1992. Callaghan, P. T.: Principles ofNuclear Magnetic Resonance Microscopy. Oxford: Oxford University Press, 1992. Derome, A. E.: Modern NMR Techniques for Chemical Research. New York: Pergamon Press, 1987. Ernst, R. R., G. Bodenhausen und A. Wokaun: Principles fo Nuclear Magnetic Resonance in one and two Dimensions. Oxford: Clarendon Press, 1987. Forster, M.A. und J.M. S. Hutchison: Practical NMR Imaging. Oxford: IRL Press, 1987. Friebolin, H.: Ein und zweidimensionale NMRSpektroskopie. Weinheim: VCH
Verlagsgesellschaft, 1988. Günther, H.: NMRSpektroskopie. Grundlagen, Konzepte und Anwendungen der Protonen
und Kohlenstoff
13
Kernresonanzspektroskopie in der Chemie. Stuttgart: Thieme Verlag, 1992. Hennel, J. W. und J. Klinowski: Fundamentals of Nuclear Magnetic Resonance. Harlow: Longman Scientific & Technical, 1993. Herzog, W
D. und M. Messerschmidt: NMRSpektroskopie für Anwender (Hrsg.: U. Gruber und W Klein). Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1995. Pihlaja, K. und E. Kleinpeter: Carbon13 NMR Chemical Shifts in Structural and Stereochemical Analysis. Weinheim: VCH
Verlagsgesellschaft, 1994. Roberts, G.C.K.: NMR of Macromelecules. A Practical Approach. Oxford: Oxford University Press, 1993.

522

Дополнительная литература

Schmidt
Rohr, K. und H. W. Spiee: Multidimensional SolidState NMR and Polymers. London: Academic Press, 1994. Stejskal, E. O. und J. D. Memory: High Resolution NMR in the Solid State: Fundamentals of CP/MAS. Oxford: Oxford University Press, 1994. К главе 14: Hahn
Weinheimer, R, A. Hirner und K. Weber
Diefenbach: Grundlagen und praktische Anwendung der Rцntgenfluoreszenzanalyse. Braunschweig, Wiesbade:n Vieweg & Sohn, 1984. Ehrhardt, H.: Röntgenfluoreszenzanalyse. Heidelberg: Springer
Verlag, 1989. Bertin, E. R: Principles and Practice ofXRay Spectrometric Analysis. New York, London: Plenum Press, 1975. Blochin, M. A.: Methoden der Röntgenspektralanalyse. München: Verlag Otto Sagner, 1964. К главе 15: Grabke, H. J.: Oberflächenanalytik in der Metallkunde. Deutsche Gesellschaft für Metallkunde, 1983. Johansson, S. A. E. und J. L. Campbell: PIXE: Novel Technique for Elemental Analysis. John Wiley & Sons, New York, 1988. Niemantsverdriet, J.W.: Spectroscopy in Catalysis. Weinheim: VCH
Verlagsgesellschaft, 1993.

Bodenseewerk Perkin Elmer GmbH Postfach 101761 88647 Überlingen Tel.: 07551-810 Fax: 07551-1612 e-mail: http://www.perkm-elmer.com

•

•

•

•

•

•

•

•

CAMAC GmbH Bismarckstr. 27-29, 12169 Berlin Tel.: 030-7957081 Fax: 030-7957073

•

•

•

•

•

•

•

GC-TOFMS

•

GD-OES

•

Oberflächenanalytik

•

RFA

•

•

Bruker-Franzen Analytik GmbH Fahrenheitstr. 4, 28359 Bremen Tel.: 0421-2205-0 Fax: 0421-2205-104 e-mail: http://www.bruker.com Bühler AG, Anatec CH-9240 Uzwil/Schweiz Tel.: ++41-71-9553793 Fax: ++41-71-9553356

•

•

SFC

•

•

DC

•

•

NMR

•

•

Bran + Luebbe GmbH Postfach 1360, 22803 Norderstedt Tel.: 040-52202-0 Fax: 040-52202-473 Bruker Analytische Meßtechnik GmbH Wikingerstr. 13, 76189 Karlsruhe Tel.: 0721-9528-0 Fax: 0721-9528-712

•

MS

•

•

ICP-MS

Bischoff Chromatography Böblinger Str. 23 71229 Leonberg Tel.: 07152-6064-0 Fax: 07152-606434/35

•

ICP-OES

•

Bio-Rad Laboratories GmbH Heidemannstr. 164 80939 München Tel.: 089-31884-0 Fax: 02151-515911

•

AAS

•

Beckman Instruments GmbH Frankfurter Ring 115 80807 München Tel.: 089-35870-0, Fax: 089-35870-490

MW

•

Fluoreszenz

•

RAMAN

•

NIR

Ansyco analytische Systeme und Componenten GmbH Ostring 4, 76131 Karlsruhe Tel.: 0721-617021, Fax: 0721-621332

LIMS

•

CE

Angetec GmbH Fürstenwalder Damm 473 12587 Berlin Tel.: 030-6452925, Fax: 030-6452947

HPLC

•

IR

Airmotec Vertriebsgesellschaft mbH Gillesweg 21, 45257 Essen Tel.: 0201-480570, Fax: 0201-483940

UV/Vis

GG

Ôèðìà

IC

Список фирм

Chrompack GmbH Postfach 580164, 60406 Frankfurt Tel.: 069-500019-0 Fax: 069-50001950

•

•

Eppendorf-Netheler-Hinz-GmbH Werk Maintal, Postfach 1330, 63463 Maintal Tel.: 06181-4203-0 Fax: 06181-4203-24/26

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Helmut Fischer GmbH + Co Industriestr. 21, 71069 Sindelfingen Tel.: 07031-3030 Fax: 07031-30379 •

•

•

•

•

•

Gynkotek GmbH Dornierstr. 4 82110 Germering Tel.: 089-89468-0 Fax: 089-89468-200 •

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

GC-TOFMS

GD-OES

Oberflächenanalytik

•

DIONEX GmbH Am Wörzgarten 10, 65510 Idstein Tel.: 06126-991-0 Fax: 06126-991-277

Hiden Analytical Niedmannweg 13 82431 Kochel/Ried Tel.: 08857-693010 Fax: 08857-9771

RFA

•

Dilor GmbH Wiesenstr. 4, 64625 Bensheim Tel.: 06251-4042 Fax: 06251-64871 e-mail: 100271.330@compuserve .com

Hewlett-Packard GmbH Analytische Meßtechnik Hewlett-Packard-Str. 76337 Waldbronn Tel.: 07243-602-0 Fax: 07243-602-212

SFC

•

Deutsche Metrohm GmbH & Co. In den Birken 3 70794 Filderstadt Tel.: 0711-77088-0 Fax: 0711-77088-55

Gerstel GmbH Aktienstr. 232, 45473 Mülheim an der Ruhr Tel.: 0208-76503-0 Fax: 0208-7650333

DC

•

Desaga GmbH In den Ziegelwiesen 2-7 69168 Wiesloch Tel.: 06222-92880 Fax: 06222-928892

Finnigan MAT GmbH Barkhausenstr. 2 2917 Bremen Tel.: 0421-54930 Fax: 0421-5493396

NMR

MS

ICP-MS

ICP-OES

AAS

MW

Fluoreszenz

NIR

LIMS

CE

HPLC

IR

UV/Vis

GG

Ôèðìà

IC

Список фирм

RAMAN

524

•

•

Kontron Instruments GmbH Werner-von-Siemens-Str. 1 85375 Neufahrn Tel.: 08165-922-0 Fax: 08165-922-203 •

Oberflächenanalytik

RFA

SFC

DC

NMR

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

LECO Instrumente GmbH Benzstr. 5b 85551 Kirchheim b. München Tel.: 089-909020 Fax:089-9090250 L.O.T.-ORIEL GmbH Im Tiefen See 58, 64293 Darmstadt Tel.: 06151-8806-0 Fax: 06151-896667

•

•

•

Maassen GmbH Arbachtalstr. 26, 72800 Eningen Tel.: 07121-894-212 Fax: 07121-894-300

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Metorex GmbH Wiesenweg 18 65824 Schwalbach Tel.: 06196-889550 Fax: 06196-889559 Nicolet Instrument GmbH Senefelderstr. 162 63069 Offenbach/Main Tel.: 069-984080 Fax: 069-98408122

MS

ICP-MS

ICP-OES

AAS

MW

Fluoreszenz

•

•

Dr. Bruno Lange GmbH Postfach 270247, 40521 Düsseldorf Tel.: 0211-52880 Fax: 0211-5288175

Merck KGaA Frankfurter Str. 250 64293 Darmstadt Tel.: 06151-72-0 Fax: 06151-727168, 06151-781339

•

•

•

Dr. Ing. Herbert Knauer GmbH Hegauer Weg 38, 14163 Berlin Tel.: 030-81608-0 Fax: 030-8015010

Laborgerätebörse Handelsgesellschaft für Analysensysteme mbH Bruckstr. 58, 72393 Burladingen Tel.: 07475-9514-0 Fax: 07475-951444 e-mail: http ://www. opennet.de/labexchange

•

GC-TOFMS

•

•

525

GD-OES

•

Instruments S.A. GmbH Bretonischer Ring 13, 85630 Grasbrunn Tel.: 089-462317-0 Fax: 089-462317-99 J & W Scientific Products GmbH Weißhausstr. 20, 50939 Köln Tel.: 0221-9415354 Fax: 0221-9415356

IC

NIR

LIMS

CE

HPLC

IR

UV/Vis

GG

Ôèðìà

RAMAN

Список фирм

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Oxford Instruments GmbH Analytical Systems Division Kreuzberger Ring 38 65205 Wiesbaden Tel.: 0611-764177 Fax: 0611-764121 Polytec GmbH Polytec-Platz 5-7, 76337 Waldbronn Tel.: 07243-604-04 Fax: 07243-699-44

•

Radiometer GmbH Geschäftsbereich Analytik Linsellesstr. 142, 47877 Willich Tel.: 02154-818-0 Fax: 02154-818-143

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

SPECTRO A.I. GmbH Boschstr. 10, 47533 Kleve Tel.: 02821-892-0 Fax: 02821-23144 e-mail: [email protected] SunChrom GmbH Max-Planck-Str. 22 61381 Friedrichsdorf Tel.: 06172-953350 Fax:06172-953399

•

Thermo Separation Products GmbH Boschring 12, 63329 Egelsbach Tel.: 06103-408-0 Fax: 06103-408-222

•

•

•

•

•

•

•

TopoMetrix GmbH Pallaswiesenstr. 180 64293 Darmstadt Tel.: 06151-81090 Fax: 06151-810915 •

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

GC-TOFMS

GD-OES

Oberflächenanalytik

SFC

•

•

Sopra GmbH Schubertstr. 9-11 64572 Büttelborn Tel.: 06152-98030 Fax: 06152-980322

Varian GmbH Alsfelder Str. 6, 64289 Darmstadt Tel.: 06151-7030 Fax: 06151-703237 e-mail: http://www.varian.com

•

•

Röntgenanalytik Meßtechnik GmbH Georg-Ohm-Str. 6 65232 Taunusstein-Neuhof Tel.: 06128-71080 Fax: 06128-73601 Shimadzu Europa GmbH Albert-Hahn-Str. 6-10 47269 Duisburg Tel.: 0203-7687-0 Fax: 0203-766625

RFA

NORAN Instruments GmbH Lusshardtstr. 6, 76646 Bruchsal Tel.: 07251-9791-0 Fax: 07251-9791-11

DC

NMR

MS

ICP-MS

ICP-OES

AAS

MW

Fluoreszenz

NIR

LIMS

CE

HPLC

IR

UV/Vis

GG

Ôèðìà

IC

Список фирм

RAMAN

526

GC-TOFMS

527

GD-OES

Oberflächenanalytik

RFA

SFC

DC

NMR

MS

ICP-MS

ICP-OES

AAS

MW

•

Fluoreszenz

•

IC

Zinsser Analytic GmbH Eschborner Landstr. 135 60489 Frankfurt/M. Tel.: 069-7891060 Fax: 069-78910680

NIR

•

LIMS

CE

•

IR

Waters GmbH Hauptstr. 87, 65760 Eschborn Tel.: 06196-400-600 Fax: 06196-482388

GG

HPLC

UV/Vis

Ôèðìà

RAMAN

Список фирм