Короткий огляд методів аналізу елементів
Таблиця 1.Електромагнітний (ЕМ) спектр та аналітичні методи його вивчення
Мессбауерівський (γ-резонансний) спектрометр
Фотоелектронний спектрометр (ФЕС)
Рентгенофлуоресцентний спектрометр (РФС)
100-200 нм - вакуумний УФ-спектрофотометр
Видиме світло(400-750 нм)
200-900 нм - вид/УФ-спектрофотометр
Близька інфрачервона область (ІЧ)
Римановський комбінаційного розсіювання, КР) спектрометр
Далека ІЧ область
Спектроскоп електронного парамагнітного (спінового) резонансу (ЕПР)
Спектроскоп ядерного магнітного резонансу (ЯМР)
Усі параметри ЕМ спектру пов'язані між собою:
1. Хвильове число (ν -1 ) («зворотний сантиметр») = 1/(Довжина хвилі в м); 1/λ = ν/c, де λ - довжина хвилі в м, ν - частота Гц, з - швидкість світла (3×10 8 м/с).
2. Енергія 1 моля фотонів Е = Nahν, де Е - енергія в кДж/моль, Na - число Авогадро, ν - частота Гц, h - постійна Планка (= 6,26×10 -34 Дж/моль).
3. Видимий світло: 400-750 нм - фіолетовий, синій, блакитний, зелений, жовтий, помаранчевий, червоний.
Таблиця 2.Деякі спектроскопічні методи дослідження
Мессбауерівська (γ-резонансна) спектроскопія
Поглинання γ-випромінювання деякими ядрами (57 Fe, 197 Au) дозволяє визначити хімічне оточення атомів, у тому числі ступінь окислення
Фотоелектронна спектроскопія (ФЕС)
Спектроскопія поглинання щодо енергетичних станів заповнених атомних і молекулярних орбіталей
Електронна спектроскопія (вид/УФ-спектроскопія)
Спектроскопію поглинання (100-200 нм - вакуумний УФ, 200-800 нм - ближній УФ та видиму область спектра) використовують для дослідження переходів електронів між енергетичнимирівнями в атомах та молекулах
Застосовують для елементного аналізу, спостереження спектрів поглинання атомів у газовій фазі
Використовують для дослідження флуоресціюючих, фосфоресцентних і люмінесцентних речовин. Флуоресценція - випромінювання деякими речовинами світла з більшою довжиною хвилі, ніж поглинене УФ або видиме випромінювання
Варіант коливальної спектроскопії в інтервалі 200-4000 см-1. Використовують для ідентифікації речовин
ІЧ-спектроскопія в області хвильових чисел менше 200 см -1
Раманівська (комбінаційного розсіювання, КР)
Варіант коливальної спектроскопії, який відрізняється від ІЧ-спектроскопії тим, що активізують також деякі неактивні коливання
Спектроскопія поглинання для дослідження обертових спектрів молекул
Спектроскопія електронного парамагнітного (спінового) резонансу (ЕПР)
Використовують для дослідження речовин з одним або декількома неспареними електронами
Спектроскопія ядерного магнітного резонансу (ЯМР)
Поглинання або випромінювання радіочастотного випромінювання для дослідження стану ядерних спинів при виявленні молекулярних структур та вивченні динамічної поведінки речовин у розчинах та твердій фазі
1. Електронна, рентгенівська та нейтронна дифракція, а також мас-спектрометрія не належать до спектроскопічних методів.
2. УФ-спектроскопію часто використовують для визначення концентрації розчинів у відповідності до закону Ламберта-Бера: кількість світлової енергії, поглиненої розчином, пропорційно концентрації розчиненої речовини та довжині шляху світла в цій речовині. Використовується довжина хвилі в області спектру, яку дана речовина поглинає найбільш сильно.
Мал. 1.Принципова схема спектрометрівелектромагнітного випромінювання (ЕМІ)
Найбільш доступними є атомно-абсорбційна (ААС) та люмінесцентна спектроскопія, полум'яна фотометрія, спектрофотометрія в інфрачервоній (ІЧ), видимій та ультрафіолетовій (УФ) областях спектру, колориметрія, рентгено-флуоресцентна спектроскопія (РФС), рідше застосовують спектрополяри. Недоліки цих оптичних методів аналізу (полум'яна фотометрія, атомно-абсорбційна спектрометрія, спектрофотометрія): низька чутливість, трудомісткість дослідження, необхідність складної пробопідготовки, низька продуктивність.
Багатоелементні методи: нейтронно-активаційний — дуже дорогий і трудомісткий, полярографічний — потребує великого обсягу та повної мінералізації проби, капілярний електрофорез та іонна хроматографія — ґрунтуються на інших принципах аналізу і, отже, потребують спеціальної підготовки аналітика.
За продуктивністю та точністю аналізу (межі виявлення, чутливості та відтворюваності) жоден з перерахованих методів не може зрівнятися з індуктивно-пов'язаною атомно-емісійною спектрометрією на аргоновій плазмі (ІСП-спектрометрія) - оптико-емісійної спектроскопії (ICP-OES), або атомно -емісійної спектроскопії (ICP-AES), що з'явилася в 70-х роках, та з індуктивно-пов'язаною мас-спектрометрією (ІСП-МС = ICP-MS), або високочастотною плазмовою мас-спектрометрією, що з'явилася в 1983 (Mellon et al ., 2000).
В даний час оптичну емісійну спектрометрію на аргоновій плазмі в медицині застосовувати не рекомендується, оскільки при аналізі виникає безліч ефектів, що заважають: спектральних перешкод («ефект матриці») і перекриття спектральних ліній деяких важливих елементів. Ці перешкоди призводять до необхідності калібрувати прилад індивідуально для аналізу кожного об'єкта, щопотребує залучення висококваліфікованого аналітика. Крім того, потрібно порівняно великий обсяг проби, оскільки максимальна чутливість цього методу вбирається у 10 -8 р.
Найбільш поширеним методом багатоелементного аналізу на даний час стала ІСП-МС. Чутливість цього для більшості елементів майже досягає теоретичного краю чутливості аналітичних методів (10 -14 р). Це дозволяє різко скоротити обсяг проби і процес пробопідготовки - для визначення багатьох елементів таблиці Менделєєва, у тому числі їх ізотопів, достатньо 0,1 мл краплі крові. Цей метод рекомендований для проведення багатоелементних аналізів у медицині Центром контролю та профілактики захворювань в Атланті, США (CDC).