У цій статті ми детально розглянемо ті аналітичні методи, що засновані на зміні енергетичного стану окремих атомів. Це оптичні методи аналізу. Наведемо характеристику кожного з них, виділимо характерні риси.
Визначення
Оптичні методи аналізу – сукупність методів, заснованих на зміні енергетичного стану окремих атомів. Друга їх назва – атомно-спектроскопічні.
Оптичні методи аналізу будуть відрізнятися за способом отримання і подальшої реєстрації сигналу (потрібного для аналізу). Для їх позначення використовують також абревіатуру ОМА. Оптичні методи аналізу застосовують для вивчення енергетичних потоків валентних, зовнішніх електронів. Спільне для усього їх розмаїття – необхідність попереднього розкладання на атоми (атомізації) аналізованого речовини.
Види методу
Ми вже знаємо, що саме є оптичним методом аналізу. Розглянемо тепер різноманітність даних методів:
- Рефрактометричний аналіз.
- Поляриметричний аналіз.
- Сукупність абсорбційних оптичних методів.
Кожну з позицій цієї класифікації оптичних методів аналізу ми розглянемо далі окремо.
Рефрактометрическая різновид
Де застосуємо рефрактометричний тип? Даний вид оптично-спектрального методу аналізу широко використовується при дослідженні харчових продуктів – жирових, томатних, різних соків, джему, варення.
Рефрактометричний аналіз ґрунтується на вимірюванні показника заломлення (інша назва – рефракції), за яким можна достовірно судити про природу конкретної речовини, його чистоті і процентному вмісті в масах-розчинах.
Заломлення світлового променя буде завжди виникати на кордоні двох різних середовищ за умови, що вони мають різну щільність. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення буде відносним показником заломлення другої речовини до першого. Ця величина вважається постійною.
Від чого залежить показник заломлення? Перш за все, від природи речовини. Значення тут мають також довжина світлової хвилі і температура.
Якщо кут світла буде падати під 90 градусів, така позиція буде вважатися граничним кутом заломлення. Його величина буде залежати тільки від показників тих середовищ, через які світло проходить. Що це дає? Якщо досліднику відкритий показник заломлення першої середовища, то після вимірювання граничного кута заломлення другої він може визначити показник заломлення вже цікавить його середовища.
Поляриметрическая різновид
Продовжуємо розбирати основи оптичних методів аналізу. Поляриметричний грунтується на властивості деяких видів речовин змінювати вектор коливань світла.
Речовини, що володіють цим чудовим властивістю, при проходженні крізь них поляризованого променя називаються оптично активними. Наприклад, особливості будови молекул всієї маси цукрів зумовлює прояв оптичної активності в різних розчинах.
Поляризований промінь пропускають крізь шар такого розчину оптично активної речовини. Буде змінено напрям коливання – площина поляризації в результаті цього виявиться поверненою на деякий кут. Він буде носити назву кута повороту площини поляризації. Ця позиція залежить від наступного ряду факторів:
- Поворот площини поляризації.
- Товщина і концентрація досліджуваного шару розчину.
- Довжина хвилі самого поляризованого променя.
- Температура.
Оптичну щільність речовини при цьому буде характеризувати питоме обертання. Що це за величина? Під нею розуміється кут, на який повертається площина поляризації при проходженні через розчин поляризованого променя. Приймаються при цьому наступні умовні величини:
- 1 мл розчину.
- 1 г речовини, розчиненого в цьому об’ємі розчину.
- Товщина шару розчину (або ж довжина поляризаційної трубки) – 1 дм.
Оптична абсорбційна різновид
Продовжуємо знайомитися з оптичними методами аналізу в аналітичній хімії. Наступна категорія в класифікації – оптична абсорбційна.
Сюди входять ті методи аналізу, засновані на поглинанні аналізованими речовинами електромагнітного випромінювання. Саме вони вважаються на сьогодні найпоширенішими в дослідницьких, наукових, сертифікаційних лабораторіях.
При поглинанні світла молекули і атоми поглинаючих речовин будуть переходити в збуджений новий стан. Вже в залежності від різновиду таких речовин, а також здатності трансформування поглиненої ними енергії виділяється ціла сукупність абсорбційних оптичних методів. Їх ми представимо більш детально в наступному підзаголовку.
Класифікація абсорбційних оптичних методів
Пропонуємо вашій увазі класифікацію даних методів оптичного аналізу в хімії. Вона представлена чотирма позиціями:
- Атомно-абсорбційний. Що сюди входить? Це аналіз, що базується на поглинанні енергії світла молекулами досліджуваних речовин.
- Молекулярний абсорбційний. Цей метод ґрунтується на поглинанні світла складними іонами і молекулами, що вивчається, аналізованого речовини. Велика увага тут приділяється інфрачервоній, видимій і ультрафіолетовій зонах спектра. Відповідно, це фотоколориметрия, спектрофотометрія, ІЧ-спектроскопія. Що тут важливо виділити? Спектрофотометрія та фотоколориметрия ґрунтуються на взаємодії випромінювання з рядом однорідних систем. Тому в аналітичній хімії їх часто об’єднують в одну групу – фотометричні методи.
- Нефелометрія. Цей різновид аналізу ґрунтується на поглинанні й надалі розсіювання енергії світла зваженими частинками досліджуваного речовини.
- Флюорометричний (або люмінесцентний) аналіз. Метод грунтується на вимірі випромінювання, яке з’являється при виділення енергії збудженими молекулами досліджуваного дослідником речовини. Представлений флуоресценцією та фосфоресценцією. Розглянемо їх окремо.
Люмінесценція
Люмінесценцією взагалі в науковому світі називають світіння атомів, молекул, іонів і інших більш складних частинок і з’єднань речовини. Воно з’являється в результаті переходу електронів у нормальний стан із збудженого.
Таким чином, щоб речовина початок люмінесціювати, до нього необхідно підвести ззовні певну кількість енергії. Частинки досліджуваного речовини поглинуть енергію, перейшовши при цьому в збуджений стан, в якому будуть перебувати певний проміжок часу. Потім повернутися в колишній стан спокою, віддаючи при цьому частку власної енергії у формі квантів люмінесценції.
Фосфоресценція і флуоресценція
В залежності від типу збудженого стану, а також часу перебування речовини в ньому, розрізняють два типу світіння – фосфоресценцию і флуоресценцію. Кожне з них виділяється своїми відмітними характеристиками:
- Флуоресценція. Різновид власного світіння певної речовини, який буде тривати лише при опроміненні. Коли дослідник усуне джерело збудження, світіння припиниться або миттєво, або через 0,001 секунди.
- Фосфоресценція. Різновид власного світіння певної речовини, який буде тривати навіть при відключенні збудливого його світла.
Для дослідження продовольчих товарів застосовується саме фосфоресценція. Люмінісцентний метод дослідження допомагає виявити в досліджуваному зразку речовина при його концентрації 10-11г/р. Такий метод буде хороший для визначення деяких різновидів вітамінів, наявності білків і жирів в молочних продуктах, дослідження свіжості м’ясних і рибних виробів, діагностики псування фруктів, овочів, ягід. Також люминисцентное дослідження застосовується для виявлення в продуктах лікарських домішок, консервантів, пестицидів, різних канцерогенних речовин.
Всю абсорбційну групу при цьому вчені нерідко об’єднують в спектрохимическую (або спектроскопічну) категорію в класифікації оптичних методів аналізу в аналітичній хімії. Незважаючи на те, що методи за своєю суттю різні, їх об’єднує одне: в основі лежать однакові закони поглинання світла. Але при цьому суттєві відмінності за типом поглинаючих частинок, апаратного оформлення дослідження та ін.
Фотометрична різновид
Назва сукупності методів спектрального молекулярно-абсорбційного аналізу. Вони ґрунтуються на виборчому поглинанні електромагнітного випромінювання у видимій, ультрафіолетовій, інфрачервоній областях молекулами досліджуваного компонента. Його концентрацію фахівець визначає за законом Бугера – Ламберта – Бера.
Фотометричний аналіз включає в себе фотометрію, спектрофотометрию і фотоколориметрию.
Фотоэлектроколориметрическая різновид
Фотоэлектроколориметрический метод більш об’єктивний при порівнянні з візуальною колориметрії. Відповідно, він дає більш точні результати досліджень. Тут використовуються різні ФЕК – фотоелектроколориметри.
Світловий потік при проході через забарвлену рідину частково поглинається. Інша його частина потрапляє на фотоелемент, де виникає електричний струм, який реєструє амперметр. Чим інтенсивніше концентрація розчину, тим більше його оптична щільність. Тим більшим буде ступінь поглинання світла і тим менше сила виник фотоструму.
Ми розглянули всю класифікацію методів оптичного аналізу, що застосовуються сьогодні в аналітичній хімії: рефрактометрические, поляриметричні, оптичні абсорбційні. Їх об’єднує необхідність попередньої атомізації речовини. Але при цьому кожен з методів виділяється своїми відмітними характеристиками – різновидами отримання та реєстрації сигналу для аналізу.
