РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Высший Химический Колледж
Гармаш А. В.
Введение в спектроскопические методы анализа. Оптические методы анализа.
Москва
1995
1
1.	Введение в спектроскопические методы анализа
1.1.	Классификация спектроскопических методов анализа
К спектроскопическим методам анализа относят методы, основанные на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением.
К настоящему времени разработано уже несколько десятков различных спектроскопических методов анализа. Их классификацию целесообразно произвести по трем, в известной мере независимым друг от друга позициям.
1.	ЧТО взаимодействует с веществом? Какова природа взаимодействующих с электромагнитным излучением частиц? С этой точки зрения спектроскопические методы подразделяются на атомные и молекулярные1*. В атомных методах с излучением взаимодействуют отдельные атомы (или одноатомные ионы) независимо друг от друга.. Такие методы позволяют определить лишь элементный состав вещества. В молекулярных методах с излучением взаимодействуют многоатомные частицы (молекулы, многоатомные ионы) как единое целое. С помощью молекулярных методов возможно определение молекулярного состава вещества, изучение характера химических связей.
2.	С ЧЕМ взаимодействует вещество? В каком диапазоне энергий находится электромагнитное излучение, используемое в данном методе анализа? Более подробно классификация методов анализа с точки зрения этого критерия будет рассмотрена ниже.
3.	КАК происходит взаимодействие? Каков физический характер процесса взаимодействия излучения с веществом — испускание излучения, его поглощение, рассеяние, преломление и т.д.? В данном пособии будут рассмотрены главным образом методы, основанные на двух из перечисленных процессов — испускании и поглощении. Методы анализа, основанные на нспусканнн излучения, называются эмиссионными, а на его поглощении — абсорбционными.
1,2.	Электромагнитная энергия и связанные с ней величины
Важнейшей характеристикой электромагнитного излучения является энергия его квантов Е. Она связана с частотой излучения v классическим соотношением квантовой механики:
E = hv	(1.2.1)
где h-постоянная Планка. В системе СИ энергия измеряется в джоулях (1 Дж= 1 кг-м-с'2). В спектроскопии для измерения энергии электромагнитных квантов широко используется и внесистемная единица — электрон-вольт (1 эВ = 1.6022 10 19 Дж). Для измерения частоты используется единица системы СИ - герц (1 Гц= 1 с-1) или кратные ей: мегагерц (1 МГц= 1 106 Гц), гигагерц (1 ГГц= МО9 Гц).
В свою очередь, частота излучения связана с его длииой волны к соотношением
X = c/v	(1.2.2)
где с — скорость света в данной среде. Для измерения длины волны в спектроскопии используется единица системы СИ - метр (м) или подходящие для данного диапазона дробные единицы: нанометр (1 нм = Г10“9м), пнкометр (1 пм = 110'12м) и т.д. Внесистемная единица ангстрем, равная 110 10м или 10 нм, в настоящее время не рекомендуется к применению.
*>К молекулярным методам можно отнести и методы исследования характера химических связей
2
Еще одной характеристикой, часто используемой в спектроскопии, является волновое число v, которое определяется как
V = 1/Х	(1.2.3)
Измеряют волновое число чаще всего в обратных сантиметрах см Е
Таким образом, все четыре величины — Е, v, л и v — взаимно однозначно связаны между собой. Каждая из них может рассматриваться в качестве характеристики энергии квантов электромагнитного излучения. При этом величины v и v связаны с энергией прямо пропорционально: E = hv, E = hcv, а величина л обратно пропорционально: E = hc/X.
В различных спектроскопических методах традиционно используются различные из этих энергетических характеристик (и соответствующие единицы их измерения). Например, в спектроскопии в видимой и ультрафиолетовой области спектра энергию квантов обычно характеризуют длиной волны выраженной в нанометрах, в инфракрасной — волновым числом v (см’1), в ядерно-физических методах — величиной энергии Е в кило-или мегаэлектронвольтах и т.д. Численные значения констант, необходимых для перехода от одних энергетических характеристик к другим, составляют:
h = 6.6262-10'34 Дж с
с = 2.9979-108 мс“‘ (для вакуума)
Во многих задачах спектроскопии требуется также сопоставление энергии квантов электромагнитного излучения с энергией теплового движения частиц при данной температуре. Для расчета последней необходимо значение постоянной Больцмана k l.380710’23 Дж-К-1.
1.3.	Области энергий электромагнитного излучения и их использование в спектроскопических методах анализа
Электромагнитное излучение при взаимодействии с веществом может вызывать в нем процессы разнообразной физической природы, используемые в различных методах химического анализа. Общий характер этих процессов зависит от энергии фотонов. Следовательно, для классификации методов анализа весь диапазон энергий электромагнитных квантов целесообразно разделить на области, соответствующие тому или иному физическому процессу.
В табл.1 указаны основные области электромагнитного излучения, используемые в химическом анализе, диапазоны величин, характеризующих энергию фотонов (в качестве единой меры выбрана длина волны; приведены также другие величины, традиционно используемые в данном методе), характер соответствующих физических процессов и объектов анализа.
Как видно из табл.1, методы, основанные на излучении низких энергий (сопоставимых с энергиями химических связей или меньше их), являются молекулярными методами анализа. Методы же, использующие излучение высоких энергий, относятся к атомным (элементным). Исключением из этого правила является метод ядерной гамма-резонансной (мессбауэровской) спектроскопии, использующий высокоэнергетическое гамма-излучение и тем не менее позволяющий определять отдельные химические формы веществ.
В данном пособии будут подробно рассмотрены только методы, основанные на спектроскопии в видимой и УФ-областях излучения. Такие методы мы будем в дальнейшем называть оптическими (не включая в это понятие ИК- и КР-спектроско-пию).
1.4.	Электромагнитный спектр
Понятие "спектр" имеет несколько близких, хотя и не вполне идентичных, значений. Наиболее общей является трактовка спектра как функции распределения — зависимости
3
Таблица 1
Области энергий электромагнитного излучения и соответствующие им методы анализа
Область, метод	Характеристика энергии квантов		Процесс	Объект
	1, м	Другие величины		
Радиочастотная (ЯМР, ЭПР)	Кр-Ю1	v: 10МГц-1ГГц	Изменение спинов ядер и электронов	МОЛ.
Микроволновая	10 ’-1(Г3	v: 0.1-10 см-1	Изменение вращательных состояний	мол. (газы)
Оптическая, инфракрасная (ИК, КР!))	103-J06	v: 10-13000 см'1	Изменение колебательных состояний	мол.
Оптическая2^, видимая, УФ	10'6-10‘8	Видимая: 7=750-400 нм уф3): 7=400-200 нм	Изменение состояний валентных электронов	мол., ат.
Рентгеновская	1О‘8-1О'10	Е; 0.1-100 кэВ	Изменение состояний внутренних электронов	ат.4)
Гамма-излучение (ядерно-физические)	10'10-10-13	Е: 0.01-10 МэВ	Ядерные реакции	ат.5^
РВ методе комбинационного рассеяния (КР), как правило, испольуется излучение видимого диапазона, однако он рассматривается совместно с методами ИК-спектроскопии, поскольку он также основан на изменении колебательных состояний молекулы.
2)Ряд авторов относят к оптическим методам только спектроскопию в видимой и УФ-областях.
^Область 10-200 нм, также относящаяся к ультрафиолетовой (дальняя УФ-область), в химическом анализе используется мало.
^Некоторые методы, относящиеся к группе рентгеновских, могут использоваться и в качестве молекулярных.
Метод мессбауэровской спектроскопии, относящийся к группе ядерно-физических, является молекулярным.
4
между значением какого-либо параметра и числом (долей) объектов, обладающих этим значением. Важнейшей характеристикой электромагнитных квантов является их энергия.
Поэтому под "электромагнитным спектром" мы будем понимать функцию распределения фотонов по энергиям — зависимость между энергией кванта и числом квантов, обладающих этой энергией. Напоминаем, что в качестве характеристики энергии квантов мы можем использовать не только величину Е, но и X, v, v. Число квантов также можно выразить по-разному. Для процессов испускания (эмиссионных) обычно используют интенсивность I — мощность излучения квантов данной энергии (длины волны) на единицу телесного угла — выражаемую, как правило, в условных, относительных единицах. В процессах поглощения (абсорбционных) чаще всего используют оптическую плотность — величину, связанную с долей поглощенных фотонов (точное ее определение будет дано в разд. 2.2).
Графически электромагнитный спектр можно изобразить в виде кривой, по оси абсцисс которой отложена одна из величин, характеризующих энергию квантов (обычно X), а по оси ординат — интенсивность I (процессы эмиссии) либо оптическая плотность А (процессы абсорбции). В качестве примера на рис. 1 приведены спектры испускания трех источников излучения оптического диапазона — вольфрамовой, дейтериевой и ртутной лампы. Как видно, характер распределения испускаемых фотонов по длинам волн для этих источников существенно различается.
Рис.1. Спектры испускания вольфрамовой (1), дейтериевой (2) и ртутной (3) ламп.
1.5.	Спектральная линия
Потенциальная энергия микрочастиц квантуется. Атом или молекула может обладать не любыми, а только строго определенными значениями энергии Ец Еэ, ... Em, ... Еа, ... (число таких возможных значений, вообще говоря, бесконечно велико). Поэтому частица может испускать или поглощать фотоны также строго определенных энергий, равных Е^ =| Еч — Е.• | — разности энергий каких-либо двух возможных состояний.
Можно поэтому ожидать, что как спектр испускания, так и спектр поглощения должен был бы представлять собой бесконечный набор бесконечно узких линий. При этом, поскольку любому эмиссионному переходу Ет —> Еп соответствует абсорбционный переход Еп —» Ет той же энергии, то положения линий в спектрах испускания и поглощения одной и той же частицы должны совпадать.
В действительности же ни одна из этих особенностей не имеет места. Число наблюдаемых спектральных линий, как и их ширина, всегда конечны, а положения линий в спектрах испускания и поглощения часто не совпадают.
Причины такого несоответствия теории и практики состоят в следующем. В силу неизбежно ограниченной чувствительности измерительных приборов мы можем зафиксировать не все, а лишь наиболее интенсивные спектральные линии — некое конечное подмножество из бесконечного множества Ед. Интенсивность же спектральной линии определяется следующими соотношениями:
для процесса эмиссии Еп —> Ет
Em ~ h,vnmAnmNn	(1.5.1)
для процесса абсорбции Ет —> Еп
5
Лпп — ^тп^тп^тР^тп )	(1-5.2)
Здесь N — заселенность соответствующего энергетического уровня (индекс m для нижнего уровня, п — для верхнего), v — частота излучения, p(v) — плотность (относительная мощность) излучения источника с соответствующей частотой, а А и В — коэффициенты Эйнштейна, характеризующие квантовомеханическую вероятность соответствующего перехода. Если частицы в основном и возбужденных состояниях находятся между собой в термодинамическом равновесии, то отношение заселенностей уровней описывается законом распределения Больцмана
^ = ^6-4^	(1.5.3)
(go и gm — статистические веса, характеризующие кратность вырождения соответствующих уровней; для полуколичественных оценок можно считать, что gn/gro-l). При т = 0 (основное состояние) и Т < 10000Д’ для большинства атомов и молекул Fn-Eo/)kT и, соответственно, Nn«No; доля частиц в возбужденном состоянии чрезвычайно мала. Важно отметить также, что Amn^Bnm. Поэтому наиболее интенсивные линии в спектре испускания и поглощения могут соответствовать разным энергетическим переходам, а положения этих линий в спектрах могут различаться.
1.6.	Причины уширения спектральных линий
Причины того, что спектральные линии имеют конечную ширину, следует рассмотреть подробнее. Очевидная причина — ограниченная разрешающая способность приборов, в силу которой две или несколько достаточно близко расположенных линий регистрируются как одна широкая. Однако существуют и другие, фундаментальные причины уширения спектральных линий.
Естественное уширение. Эта причина является наиболее фундаментальной и обусловлена соотношением неопределенностей Гейзеиберга, которое можно записать как
ДЕД1>£	(1.6.1)
В соответствии с ним энеегия квантового перехода не является точной величиной, а содержит неопределенность дБ, которая не может быть меньше, чем h/2nt, где t — время жизни частицы в возбужденном состоянии. Величины t весьма малы. Если принять t-10”8c, то это соответствует уширению АХ-10-5 нм1).
Допплеровское уширение. При движении источника или поглотителя излучения по направлению к наблюдателю частота излучения увеличивается, при движении от наблюдателя — уменьшается. Этот эффект известен как эффект Допплера. Частицы вещества вследствие их тепловой энергии совершают хаотические движения во всех направлениях относительно наблюдателя. Это приводит к уширению спектральных линий, которое увеличивается с ростом температуры. При комнатной температуре величина допплеровского уширения составляет порядка 10 3 нм.
Лоренцевское уширение. При столкновении частиц (и вообще при их взаимодействии) их энергетические уровни расщепляются. Это приводит к уширению спектральных линий, называемому лоренцевским. Для газов оно возрастает с ростом давления; при атмосферном давлении оно имеет порядок 10~2 нм. Для конденсированных сред, — в частности, растворов, — ввиду сильных межмолекулярных взаимодействий уширение может достигать десятков нанометров.
1.7.	Линейчатые, полосатые и непрерывные спектры
Если ширина отдельных спектральных линий, соответствующих индивидуальным квантовым переходам, меньше расстояния между соседними линиями, то линии спектра
1>3десь и далее приводятся величины уширения линии, характерные для оптического (видимого, УФ) диапазона энергий.
6
не сливаются между собой. Такой спектр, состоящий из отдельных линий, называется линейчатым. Примерами линейчатых спектров могут служить оптические спектры испускания или поглощения свободных атомов. Каждая линия в таком спектре обусловлена переходом валентного электрона с одного уровня электронной энергии на другой (рис. 2а, За).
энергии:
1 — электронные
2 — колебательные
3 — вращательные
Рис.2. Схемы электронных переходов в свободных атомах (а) и молекулах (б). Уровни
Рис.З. а — атомная линия поглощения, б — молекулярная полоса поглощения
1	— в газовой фазе
2	— в растворе
При очень близком взаимном расположении спектральных линий они сливаются в одну широкую полосу. Такой спектр называется полосатым. Типичными полосатыми спектрами являются оптические спектры поглощения молекул. Причина происхождения полос в этих спектрах состоит в следующем. Молекулы, в отличие от атомов, обладают колебательной и вращательной энергией; при этом колебательная энергия квантуется значительно меньшими "порциями", чем электронная, а вращательная - меньшими, чем колебательная. Следовательно, на каждом электронном уровне энергии имеется множество колебательных уровней, а на каждом колебательном — множество вращательных (рис. 2,6). Таким образом, в молекуле любой электронный переход может сопровождаться изменением также колебательной и вращательной энергии. В результате образуется огромное число очень близко расположенных Друг к другу линий, сливающихся в единые полосы. Для газовой фазы в молекулярных оптических спектрах можно различить отдельные относительно узкие полосы шириной несколько нанометров, соответствующие различным электронно-колебательным переходам (рис. 3,6, кривая 1). В растворах в силу значительного уширения линий колебательная структура, как правило, отсутствует (рис. 3,6, кривая 2).
В некоторых случаях и в растворах молекулярные оптические спектры имеют узкополосную структуру, характерную для газовой фазы. Таковы, например, спектры аква-комплексов редкоземельных элементов, имеющие полосы f-f-электронных переходов. Ввиду достаточно слабого взаимодействия растворителя с внутренними f-орбиталями таких ионов ширина соответствующих полос мала.
Помимо линейчатых и полосатых, существуют непрерывные спектры, представляющие собой истинный континуум и лишенные внутренней структуры. Они возникают тогда, когда в формировании излучения участвует кинетическая энергия частиц, которая,
7
в отличие от потенциальной, не квантуется. Например, при соударении пучка электронов с мишенью вследствие торможения электронов возникает тормозное рентгеновское излучение, имеющее непрерывный спектр.
Нагретые макроскопические тела также испускают непрерывный спектр излучения. Примерами непрерывных спектров могут служить кривые ,1 и 2 рис.1.
ъ
1.8.	Использование спектров в аналитической химии
В аналитической химии спектры используются как для качественного (идентификация веществ), так и для количественного (определение содержания веществ) анализа.
Качественный анализ. Важнейшими характеристиками любого вещества являются положения (энергии, частоты, длины волн) максимумов линий (полос) в электромагнитном спектре. Они определяются только природой вещества и не зависят от его концентрации. Поэтому для идентификации веществ следует использовать спектральную ось абсцисс.
Важнейшим показателем "качества" спектра при этом является ширина линий (полос). Очевидно, что при значительном уширении линии различных компонентов могут сливаться (перекрываться), что затруднит или вообще сделает невозможным их идентификацию.
Количественный анализ. Для количественного анализа следует использовать интенсивность линий, т.е. спектральную ось ординат. Интенсивность спектральной линии является функцией концентрации вещества, поэтому может использоваться в качестве аналитического сигнала. Для удобства в аналитической химии стараются использовать такую характеристику интенсивности спектральной линии, которая была бы прямо пропорциональна концентрации вещества.
И для количественного анализа важнейшим показателем "качества" спектра тоже является ширина линий. При наложении спектральных линий компонентов значения их аналитических сигналов искажаются, что приводит к систематической погрешности определения.
1.9.	Спектральные и физико-химические помехи в спектроскопических методах анализа
При рассмотрении систематических погрешностей, вызванных влиянием посторонних компонентов, сформулируем понятия аналитически активной и аналитически неактивной формы. Аналитически активной называется форма вещества, дающая аналитический сигнал. Например, при спектрофотометрическом определении железа с роданид-ионами аналитически активной формой является окрашенный комплекс Fe(SCN)3, интенсивно поглощающий при 495 нм. Другие формы железа, такие, как Fe3 + , Fe(OH)2 + , Fe2 + и т.д., при этой длине волны практически не поглощают и аналитически неактивны.
Мешающие влияния в спектроскопических методах анализа проявляются в виде спектральных либо физико-химических помех.
При спектральных помехах мешающий компонент находится в аналитически активной форме и, таким образом, непосредственно вносит вклад в общую величину аналитического сигнала. Типичным случаем является наложение спектральных линий. Для устранения спектральных помех применяют следующие приемы:
фнзико-химическне — отделение мешающего (или определяемого) компонента либо перевод его в аналитически неактивную форму (маскирование);
инструментальные — разделение сигналов определяемого и мешающего компонентов инструментальными средствами, если это возможно (пример — модуляция светового потока источника излучения в атомной абсорбции, с. 19);
математические — разделение вкладов компонентов в общую величину аналитического сигнала математическим средствами. Если взаимное влияние компонентов носит
8
аддитивный характер (т.е. при наложении линий их интенсивности просто суммируются), такое разделение можно провести методами линейной алгебры (пример - на с. 13). Однако применимость этого способа достаточно ограничена, поскольку при большом числе перекрывающихся спектральных линий резко возрастает случайная погрешность получаемых результатов. В случае неаддитивного взаимного влияния компонентов анализ многокомпонентных систем становится чрезвычайно затруднительным (хотя принципиально он возможен и в этом случае).
При физико-химических помехах мешающий компонент аналитически неактивен и не формирует собственного аналитического сигнала. Однако он оказывает косвенное влияние, изменяя концентрацию аналитически активной формы определяемого вещества. Например, при атомно-эмиссионном определении кальция добавки фосфатов приводят к образованию трудно атомизирующихся соединений кальция и снижают концентрацию свободных атомов Са, уменьшая интенсивность его спектральной линии. С физико-химическими помехами борются, как правило, физико-химическими же средствами, создавая условия, благоприятствующие образованию аналитически активной формы определяемого вещества (введением вспомогательных реагентов, варьированием кислотности среды, температуры и т.д.). Если систематическая погрешность, возникающая вследствие физико-химических помех, носит мультипликативный (пропорциональный) характер, для ее устранения можно применить способ добавок. В случае же спектральных (аддитивных) помех способ добавок неприменим!
2. Спектрофотометрический метод анализа
2.1.	Общая характеристика метода
Спектрофотометрией обычно называют метод оптического молекулярного абсорбционного анализа (иногда в это понятие включают и метод атомно-абсорбцнонного анализа). Объектом спектрофотометрических измерений, как правило, являются растворы. Фото-метрируемый раствор помещают в кювету — сосуд с плоскими параллельными прозрачными гранями.
Спектрофотометрический метод, будучи абсорбционным, основан на измерении поглощения света. Его чаще всего измеряют косвенно — путем сравнения интенсивностей света внешнего источника, падающего на образец и прошедшего сквозь образец. Отметим, что изменение интенсивности света при прохождении через образец может быть вызвано светопоглощением не только определяемого вещества, но и других компонентов (в частности, растворителя), а также рассеянием, отражением и т.д. Чтобы исключить влияние светорассеяния, фотометрируемый раствор должен быть прозрачным. Прочие эффекты можно скомпенсировать, используя раствор сравнения. В простейшем случае им является чистый растворитель или раствор контрольного опыта (содержащий все компоненты, кроме анализируемой пробы). Раствор сравнения и фотометрируемый раствор помещают в по возможности идентичные кюветы.
Измерение светопоглощения проводят по двух- или однолучевой схеме. При двухлу-чевон схеме световой поток источника делят на два потока равной интенсивности и пропускают один из них через фотометрируемый раствор, а второй — через раствор сравнения. Величину светопоглощения находят путем сравнения интенсивностей потоков на выходе из обоих растворов. При однолучевой схеме раствор сравнения и фотометрируемый раствор устанавливают на пути потока поочередно.
2.2.	Важнейшие законы светопоглощения
Закон Бугера-Ламберта-Бера. Пусть слой однородной среды толщиной dl содержит светопоглощающее вещество в концентрации с. Через него пропускают монохроматический световой поток интенсивности I. Интенсивность света на выходе из слоя равна
9
I + di, причем di < 0 (поток ослабляется). Экспериментально было установлено, что доля поглощенного света —dl/I прямо пропорциональна толщине слоя и концентрации поглощающего вещества:
~^ = k!cdl	(2.2.1)
Интегрируя это выражение, получаем:
-Ini = k‘lc + const	(2.2.2)
Интенсивность светового потока, падающего на образец (т.е. при 1 = 0) обозначим как 1о. Подставляя в (2.2.2) 1 = 0 и I = 1о, находим, что const=-Inlo. Подставляя это значение в (2.2.2) и переходя от натуральных логарифмов к десятичным, получаем:
Igfy = Ыс	(2.2.3)
(здесь k = 2.303к’).
Величина 1/1о называется пропусканием и обозначается Т (0 < Т < 1). Величина
А = 1д^ = -1дТ	'	(2.2.4)
называется оптической плотностью (значению Т = 1 соответствует А = 0, а Т = 0 — А = + оо). Коэффициент к называется коэффициентом поглощения.
Выражение (2.2.3) является основным законом светопоглощения и называется законом Бугера-Ламберта-Бера. При этом Бугер и Ламберт установили прямо пропорциональную связь между А и 1, а Бер — между А и с. Отметим, что при выводе этого закона не делалось никаких предположений ни о природе поглощающей среды, ни о характере поглощаемого излучения. Поэтому закон Бугера-Ламберта-Бера универсален. Он справедлив не только для спектрофотометрии, но и для других абсорбционных спектроскопических методов (атомно-абсорбционных, инфракрасных, рентгеновских). Поскольку связь между концентрацией и оптической плотностью прямо пропорциональна, то из всех возможных величин, характеризующих светопоглощение, именно оптическую плотность удобнее всего использовать в спектрофотометрии в качестве аналитического сигнала.
Если концентрация поглощающих частиц выражена в моль/л, а толщина слоя — в сантиметрах, то коэффициент поглощения обозначается буквой е и называется молярным коэффициентом поглощения. Общепринятая форма записи закона Бугера-Ламберта-Бера в спектрофотометрии выглядит как
А = de	(2.2.5)
Поскольку размерность величины е однозначно задана (л-моль_1см-1), то ее обычно не указывают, а приводят только численное значение молярного коэффициента поглощения.
Закон аддитивности оптических плотностей. Если в растворе присутствует несколько поглощающих веществ, то оптическая плотность раствора равна сумме вкладов каждого из компонентов:
А =• eilci + ег1с2 + ...	(2.2.6)
2,3.	Причины отклонений от закона Бера в спектрофотометрии
В действительности линейный характер зависимости А от с часто нарушается — особенно в области высоких концентраций и/или значений оптических плотностей. Основные причины этого явления состоят в следующем.
Немонохроматичность источника и влияние рассеянного света. На практике эта причина является основной. При выводе закона Бера было сделано предположение о строгой монохроматичности источника света. В действительности в спектре испускания любого источника всегда присутствуют фотоны различных длин волн. Чтобы понять, почему это обстоятельство приводит к нарушению линейности зависимости А от с, рассмотрим упрошенную ситуацию, когда в спектре источника имеются фотоны только
10
двух длин волн: и Х2. Пусть интенсивности излучения источника при этих длинах волн равны loi и Гог, а соответствующие молярные коэффициенты поглощения вещества — £i и е2. Тогда интенсивность падающего света равна
Io = I01 + I02	(2.3.1)
Интенсивность прошедшего света
I = Ii + Ь =- IorlOl:iic + Ц0~^с	(2.3.2)
Измеренная величина оптической плотности равна
А = И =	(2-3.3)
Зависимость А от с, выраженная этим соотношением, является нелинейной (при «1 # «г)- Можно показать, что с ростом с среднее значение е = А/1с закономерно уменьшается. Немонохроматичность источника, таким образом, приводит к отрицательным отклонениям от закона Бера.
Требуемая степень монохроматичности источника зависит от ширины изучаемой
Рис.4. Соотношение ширины спектральной полосы источника (1) и полосы поглощения (2,3).
Я
спектральной полосы. Как видно из рис. 4, один и тот же источник (1) в одном случае (2) может рассматриваться как практически монохроматичный, в другом (3) — нет. Было показано, что для большинства практических задач, не связанных с измерениями очень больших оптических плотностей, источник можно считать достаточно монохроматич-ным, если
w„CT<0.5
^погл	(2.3.4)
Здесь wHCT и v,'nor." — спектральная полуширина полосы испускания источника и изучаемой полосы поглощения, соответственно. При этом максимумы обеих полос должны совпадать. Условие (2.3.4) называется условием Уолша. Первоначально оно было сформулировано для атомно-абсорбционного метода, однако сохраняет силу и для спектрофотометрии.
Такие же отклонения от закона Бера вызывает и влияние рассеянного света — некоторой части света источника, в силу неидеальности оптической схемы прибора попадающей непосредственно на детектор, минуя фотометрируемый образец. Это явление тоже можно описать с помощью рассмотренной выше схемы, считая 1о2 интенсивностью рассеянного света и полагая е2 = 0. В этом случае
A = 19i^	(2-3-5)
При с —♦ оо измеренное значение А в этом случае стремится не к бесконечности, а к конечной величине A]jm = lg(l +I01/I02)- Поскольку влияния рассеянного света никогда нельзя избежать полностью, то точное измерение больших оптических плотностей представляет серьезную проблему.
Указанные причины относятся к числу инструментальных. Они приводят к кажущимся нарушениям закона Бера, поскольку при этом не соблюдаются предпосылки, положенные в основу его вывода.
Физико-химические процессы. Обратим внимание, что в выражении закона Бера величина с представляет собой равновесную концентрацию поглощающих частиц
11
определенного сорта. При построении же концентрационной зависимости А от с по оси абсцисс откладывают общую концентрацию растворенного вещества. Несовпадение этих величин может привести к нарушению закона Бера. Отклонение от линейной зависимости будет иметь место тогда, когда на глубину протекания физико-химических процессов с поглощающим веществом оказывает влияние его концентрация. Это — процессы ассоциации-диссоциации. Для примера рассмотрим систему СгО2<Г-Сг2О27  В ней существует равновесие
2СгО24" + Н2О = Cr2OV + 2Н +
При постоянном pH с ростом общей концентрации хрома это равновесие сдвигается вправо, и доля ионов СгО24 уменьшается, а доля Сг2О2?~ растет. На рис. 5,а приведены спектры поглощения ионов СгО24- и Сг2О2?, а на рис. 5,6 — примерный вид концентрационных зависимостей оптических плотностей, измеренных в максимумах поглощения этих ионов. Как видно из этого рисунка, отклонения от закона Бера вследствие физико-химических причин могут быть как отрицательными, так и положительными. Эти отклонения, так же, как и в рассмотренном ранее случае, являются кажущимися.
Рис.5, а — Спектры поглощения ионов СтО^ и СтуО^
б — зависимости оптической плотности от концентрации хрома в системе СтО-д — Сг2О2~
Влияние показателя преломления. На границе раздела двух сред некоторая доля падающего света всегда отражается. Эта доля зависит от показателен преломления сред. Если показатель преломления раствора зависит от его концентрации, то от нее зависит и доля отраженного кюветой света и, следовательно, измеренное значение оптической плотности. Эта причина нарушения закона Бера является истинной, так как обусловлена действием факторов, не учтенных при его выводе. На практике ею обычно можно пренебречь, поскольку в спектрофотометрии, как правило, имеют дело с разбавленными растворами, показатель преломления которых можно считать не зависящим от концентрации.
Все рассмотренные причины приводят к нарушению не только закона Бера, но и закона аддитивности.
2.4.	Метрологические характеристики спектрофотометрического метода
Нижняя граница определяемых содержаний. Ее можно оценить из следующих соображений. Квантовомеханическим расчетами показано, что для молекул в растворах величины е ограничены значениями порядка 105 (на практике обычно 103—104). Минимальное значение оптической плотности, которое можно измерить с необходимой точностью (sr< 0.33), составляет порядка 0.011), а величины!, используемые в аналитической практике, — порядка 1 см. Отсюда минимальные значения концентраций, определяемых спектрофотометрическим методом, составляют -Ю~7 М (в большинстве случаев измеряют концентрации -Ю^-Ю 4 М, или 1(Е1-101мкг/мл). Спектрофотометрический
*>В последнее время появились специальные способы измерения очень малых величин оптической плотности (до КГ^-КН5), основанные на так называемом лазерном термолинзовом зЛАекте.
12
метод относится к средиечувстаительным.
Верхняя граница определяемых содержаний. Как отмечалось выше, при высоких концентрациях возможны значительные нарушения закона Бера в силу инструментальных и физико-химических причин. Непосредственное измерение высоких значений А сопряжено со значительной потерей точности. Однако точность определения высоких концентраций можно существенно повысить, используя способ дифференциальной спектрофотометрии. В этом способе раствором сравнения является раствор, содержащий определяемое вещество в концентрации, достаточно близкой к его концентрации в анализируемом растворе. Обычно в дифференциальной спектрофотометрии для построения градуировочного графика используют серию стандартных растворов с концентрациями ci, с?, ... сп и постоянным шагом Ас = Cj + j-Ci = const. Один из них используют в качестве раствора сравнения. Можно показать, что в этом случае отклонение градуировочного графика от линейной зависимости будет минимальным, если в качестве раствора сравнения выбрать такой раствор, для которого величина cdA/dc будет максимальна. Применение дифференциальной спектрофотометрии позволяет в ряде случаев расширить диапазон определяемых содержаний до 10~3-10~2 М, т.е. "перекрыть" его с областью концентраций, определяемых химическими методами (титриметрией, гравиметрией).
Воспроизводимость. Стандартное отклонение величины пропускания ст(Т) обычно мало зависит от Т. Считая ст(Т) величиной постоянной и применяя к выражению А = -IgT закон распространения случайных погрешностей, получаем для абсолютного стандартного отклонения оптической плотности
а(А) = 0.434сг(Т)/Т = 0.434  10ла(Т)	(2.4.1)
и для относительного стандартного отклонения
(А) = а (А} [А = 0.434 а (Т)	(2.4.2)
Зависимость <тг(А) от А приведена на рис. 6. Величина <тг(А) достигает минимума, равного 2.7о(Т), при А = 0.434. В диапазоне оптических плотностей приблизительно от 0.1 до 1.1 значение ог(А) не превышает 5ст(Т). Величина <т(Т) обычно составляет около 0.001-0.005. Таким образом, измерение оптической плотности в оптимальном диапазоне ее значений (0.1-1.1) возможно с относительной погрешностью, не превышающей 2-3 %. Для инструментальных методов это достаточно хорошая воспроизводимость. Однако воспроизводимость спектрофотометрических методик в целом может быть несколько хуже в силу погрешностей, вносимых в ходе пробоподготовки.
(ГД В)
\	Рис.6. Зависимость относительного стан-
5(Г(Т)	\_______________________х
~	_ __ ——оартного отклонения оптической плотности
27	л 	|	 от величины оптической плотности
0.11	0.434	1.11.
Селективность. Важнейшим фактором, ограничивающим селективность в спектрофотометрии, является значительная спектральная ширина молекулярных полос поглощения в растворах (достигающая десятков нанометров!) и связанная с этим высокая вероятность спектральных помех — перекрывания спектров компонентов, появления аддитивных систематических погрешностей (физико-химические помехи в спектрофотометрии играют обычно меньшую роль). Поэтому в спектрофотометрии селективность
13
обеспечивают главным образом на стадии пробоподготовкн — выбором реагента, селективно взаимодействующего с определяемым веществом с образованием окрашенного продукта, выбором условий определения (широко применяется варьирование pH, маскирование), разделением компонентов. Такими способами в ряде случаев удается создать высокоселективные методики — например, определения никеля с диметилглиок-симом, кобальта с нитрозонафтолами и др.
Другим направлением повышения селективности является использование производной спектрофотометрии (не путать с дифференциальной!). В производной спектрофотометрии аналитическим сигналом служит не оптическая плотность А, а ее производная и-го порядка dnA/dku. Общие принципы определения концентрации при этом остаются без изменений, поскольку для производной оптической плотности тоже соблюдается и закон Бера, и закон аддитивности. Однако ширина спектральных полос в результате дифференцирования уменьшается (рис. 7). Многократное дифференцирование приводит к существенному сужению полос, но и к значительному росту погрешностей, поэтому на практике обычно используются производные 1-2 порядка.
Рис.7. Форма полосы поглощения и ее производных
Наконец, возможно определение индивидуальных компонентов и в условиях перекрывания их спектров, если использовать закон аддитивности оптических плотностей. Для одновременного определения п компонентов следует измерить оптическую плотность не менее чем при п длинах волн. В простейшем случае, когда п = 2, имеем:
Ai — gi(1)lcd) + к,(2)1с<2>
А2 = б2(1)1с(1) + е2(1)1с<2>	(2.4.3)
(нижним индексом обозначена длина волны, верхним — номер компонента). Решая эту (или, в общем случае, подобную ей) систему линейных уравнений, находим неизвестные значения cd) и c<2t.
При большом числе одновременно определяемых компонентов и/или сильном перекрывании их спектров
погрешности полученных таким образом значений могут оказаться очень большими. Для их уменьшения применяют специальные вычислительные приемы. Современные способы математической обработки данных позволяют в ряде случаев одновременно определять спектрофотометрическим методом до 5-6 компонентов.
2.5.	Аппаратура в спектрофотометрии
Принципиальная схема прибора для измерения оптической плотности растворов приведена ниже.
источник света
монохроматор
кюветное
отделение
В спектрофотометрии необходимо варьировать длину волны света источника в широких пределах. Поэтому используются источники непрерывного спектра: для видимой области — обычно вольфрамовая лампа накаливания, для ультрафиолетовой — водородная или дейтериевая лампа (рис. 1). Источники линейчатого спектра типа ртутной лампы используются главным образом для градуировки прибора по длинам волн. Все оптические узлы прибора должны быть прозрачными для излучения исследуемой
14
области. При работе в видимой области можно применять стеклянную оптику. В ультрафиолетовой области (200-350 нм) необходимо использование кварцевой оптики, а при % < 186 нм — и полное удаление из системы газообразного кислорода, интенсивно поглощающего в этой области.
В зависимости от типа применяемого монохроматора (и обеспечиваемой им степени монохроматизации) приборы подразделяют на фотометры (фотоколориметры) и спектрофотометры.
В фотометрах для монохроматизации используют набор сменных светофильтров. Их спектральная полуширина пропускания достаточно велика: 20 нм и выше (для интерференционных светофильтров — несколько нанометров). В соответствии с правилом Уолша (2.3.4) такая степень монохроматизации может считаться достаточной только для веществ, обладающих широкополосными спектрами поглощения.
Более эффективная монохроматизации достигается в спектрофотометрах. Монохроматорами в них служат призмы или дифракционные решетки, обеспечивающие полуширину пропускания от нескольких десятых долей нанометра до 2-3 нм (для выделения спектральной полосы после призмы или решетки ставится узкая щель). С помощью спектрофотометров можно исследовать и вещества с узкополосными спектрами (например, ионы редкоземельных элементов, с. 6). Другим достоинством спектрофотометров является возможность непрерывного изменения длины волны источника (для фотометров ее можно изменять лишь дискретно, в соответствии со спектральными характеристиками имеющихся светофильтров).
Конструкция кюветного отделения зависит от схемы измерения: одно- или двухлучевой (с. 8). При двухлучевой схеме кюветы с раствором сравнения и фотометрируемым раствором закрепляются неподвижно. При однолучевой схеме предусматривается возможности смены положения кювет относительно луча света источника. Отметим, что недостаточная воспроизводимость положения кювет в кюветном отделении часто является главной причиной, лимитирующей воспроизводимость спектрофотометрических измерений в целом.
В качестве детекторов используются фотоэлектрические преобразователи — фотоэлементы, фотодиоды или (реже) фотоэлектронные умножители. Поскольку чувствительность фотоэлементов в различных областях спектра неодинакова, часто требуется набор фотоэлементов. Для регистрации сигнала ранее применялись стрелочные вольтметры или амперметры, отградуированные в единицах А и Т. В настоящее время используются в основном цифровые индикаторы.
В конструкции новейших спектрофотометров произошли значительные усовершенствования. В качестве источников излучения стали применяться лазеры на красителях с перестраиваемой частотой. При этом необходимость в монохроматоре отпадает. Будучи вьгеокомонохроматичными и мощными источниками, лазеры позволяют резко расширить рабочий диапазон в сторону больших значений оптической плотности. Кроме того, лазеры позволяют измерять и ультрамалые значения оптической плотности (до Ю^-Ю^6). Такие измерения основаны на термолинзовом эффекте: схема приборов для таких измерений существенно отличается от приведенной выше. Современные кюветы позволяют анализировать очень малые объемы раствора (десятки микролитров) — в том числе в потоке. Это открывает возможность автоматизации спектрофотометрических На рис. 8 приведена упрощенная схема автоматической проточно-ннжекциоиной установки для спектрофотометрического анализа. Раствор реагента по тонкой трубочке непрерывно подается в кювету; регистрация оптической плотности протекающего раствора также осуществляется непрерывно. Через устройство ввода пробы в поток реагента с помощью микрошприца вводится аликвота анализируемого раствора. Определяемый компонент, взаимодействуя с реагентом, образует движущуюся зону окрашенного продукта. Достигнув кюветы, эта зона даст пик оптической плотности, пропорциональный концентрации определяемого вещества.
Важнейшей отличительной чертой современного аналитического приборостроения
15
р-р -----
реагента.
ВВОД проб
ИСТОЧНИК света
детектор
|'кювета
1
Рис.8. Упрощенная схема проточно-инжекционного спектрофотометрического анализа
является компьютеризация. Большинство современных фотометров и спектрофотометров оснащаются по крайней мере микропроцессорами. Это открывает широкие возможности для регистрации и обработки аналитических сигналов — в частности, в области производной спектрофотометрии, анализа многокомпонентных систем, фильтрации шумов и т.д.
3.	Атомно-абсорбционный метод анализа
3.1.	Общая характеристика метода
Атомно-абсорбционный метод основан на поглощении излучения оптического диапазона свободными атомами. Слово "свободными" в данном случае очень существенно, поскольку в оптическом диапазоне, соответствующем энергиям валентных электронов, свободные атомы и многоатомные частицы дают совершенно различные спектры1). Поэтому важнейшей предпосылкой атомно-абсорбционных определений является перевод определяемого вещества (элемента) в состояние атомного пара. Для этого применяется источник высокой температуры — атомизатор.
В концептуальном плане атомно-абсорбционный метод мало отличается от спектрофотометрического (почему и рассматривается иногда в качестве одной из его разновидностей — высокотемпературной газовой спектрофотометрии). Аналитическим сигналом здесь также служит оптическая плотность, прямо пропорциональная концентрации поглощающих частиц. Основные отличия атомно-абсорбционного метода от спектрофотометрического связаны, во-первых, с характером атомных спектров, а, во-вторых, со спецификой физико-химических процессов в высокотемпературном газе.
3.2.	Атомизаторы в атомной абсорбции
Атомизатор — это важнейшая составная часть любого атомно-абсорбционного спектрометра. Он служит для перевода определяемого элемента в атомный пар и одновременно является аналогом "кюветы" в спектрофотометрии. Существуют два основных способа атомизации: пламенный и электротермический (непламенный).
Пламенная атомизация. В этом способе источником высокой температуры служит пламя. Атомизатор представляет собой горелку. В нее непрерывно подается смесь горючего газа и окислителя, в которую с помощью форсунки-распылителя засасывается анализируемый раствор. Чаще всего в атомной абсорбции используются такие составы горючих смесей:
светильный газ-воздух 1500—1800°С
апетилеп-воздух 2200-2300°С
ацетилен-закись азота 2700-2900°С
Электротермическая атомизация. Способ электротермической атомизации был изобретен Б.В.Львовым. Здесь атомизатором, как правило, служит небольшая трубка (длина несколько сантиметров, внутренний диаметр до 1 см), обычно графитовая, нагреваемая электрическим током большой силы; существуют и другие констркуции
отличие, например, от рентгеновского диапазона, где атомы одного и того же элемента дают практически одинаковые спектры независимо от формы их нахождения
16
электротермических атомизаторов. Проба в атомизатор вводится через специальное отверстие в верхней части трубки. Если проба жидкая, используется микрошприц; возможен и анализ твердых проб. В отличие от пламенных атомизаторов, в которые проба подается непрерывно, здесь весь анализ выполняется на одной-единственной капле образца. Для предотвращения быстрого выгорания графита атомизатор помещают в атмосферу инертного газа — чаще всего аргона высокой чистоты. Температуру графитового атомизатора можно непрерывно варьировать, изменяя величину тока нагрева. Максимальная рабочая температура составляет 2600-2700°С.
3.3.	Основной закон светопоглощения в атомной абсорбции
Для атомно-абсорбционного, как и для любого абсорбционного метода анализа, справедлив закон Бугера-Ламберта-Бера
А = klc	(3.3.1)
Однако в плане интерпретации этого соотношения применительно к атомно-абсорбционному методу имеется ряд особенностей. Во-первых, поскольку облако атомного пара, в отличие от раствора в кювете, не имеет четких границ, то под 1 следует понимать некоторую "эффективную" толщину поглощающего слоя. Во-вторых, величина с должна была бы, строго говоря, означать концентрацию свободных атомов определяемого вещества в газовой фазе атомизатора, сат- Однако эта величина чрезвычайно трудно поддается оценке — и, главное, не представляет для аналитика большого интереса. Аналитика интересует совсем другая концентрация определяемого вещества — не в атомизаторе, а в растворе анализируемой пробы, подаваемой в атомизатор.
Выход из создавшихся затруднений состоит в следующем. При постоянных условиях атомизации можно считать, что эффективная толщина поглощающего слоя 1 постоянна, а концентрация свободных атомов сат в атомизаторе прямо пропорциональна концентрации с определяемого вещества в растворе пробы. С учетом этого можно записать:
А = кс	(3.3.2)
где под с подразумевается концентрация вещества в растворе, а коэффициент поглощения к включает в себя все отмеченные выше факторы (эффективную толщину слоя, коэффициент перехода от с к сат и т.д.). В отличие от молярного коэффициента поглощения е, который в спектрофотометрии является достаточно фундаментальной характеристикой вещества, в атомной абсорбции коэффициент к характеризует главным образом условия анализа. При изменении этих условий он может меняться в весьма широких пределах и должен каждый раз определяться заново путем градуировки.
3.4.	Источники излучения в атомной абсорбции
Линии поглощения свободных атомов имеют спектральную ширину порядка 10'2 нм, т.е. значительно уже, чем полосы поглощения молекул (1-100 нм). Поэтому в атомной абсорбции резко ужесточаются требования к степени монохроматичности источника излучения по сравнению со спектрофотометрией. Применение недостаточно монохро-матичных источников привело бы к столь значительным отклонениям от закона Бера, что измерение оптической плотности стало бы вообще невозможным.
Традиционно используемые в спектрофотометрии источники непрерывного спектра в сочетании с монохроматорами не удовлетворяют необходимым требованиям: недостаточной оказывается либо степень монохроматизации, либо — при применении высокоэффективных монохроматоров — мощность светового потока. Поэтому в атомной абсорбции используются специальные, высокомонохроматичные и вместе с тем мощные источники — главным образом лампы с полым катодом и безэлектродные разрядные лампы.
Лампа с полым катодом представляет собой стеклянный или кварцевый баллон, заполненный инертным газом под низким давлением, внутри которого находятся два
17
электрода — катод и анод. Катод имеет форму чаши и изготавливается из какого-либо определенного элемента. При подаче напряжения на электроды возникает тлеющий разряд с образованием положительных иоиов газа-наполнителя. Последние бомбардируют катод, выбивая атомы металла в газовую фазу. Там эти атомы возбуждаются и испускают излучение, характерное для свободных атомов соответствующего элемента. Таким образом, спектр излучения лампы с полым катодом — это атомный спектр материала катода. Из него с помощью обычного монохроматора низкого разрешения можно выделить одну (обычно наиболее интенсивную) линию и использовать ее для атомно-абсорбционного определения соответствующего элемента. Условие Уолша (2.3.4), требующее, чтобы полуширина линии источника была не менее чем в 2 раза меньше полуширины линии поглощения, в данном случае соблюдается: ширина линий испускания лампы гораздо меньше, чем линий поглощения атомного пара. Действительно, давление в лампе (пониженное) меньше, чем в атомизаторе (атмосферное); в силу этого меньше лоренцевское уширение. Температура лампы также меньше, чем атомизатора; поэтому меньше и допплеровское уширение.
Безэлектродные разрядные лампы в принципиальном плане аналогичны лампам с полым катодом; различия между ними чисто конструктивные. В безэлектродной разрядной лампе содержится небольшое количество чистого вещества (или его летучего легкодиссоциирующсго соединения), которое переводится в атомный пар и возбуждается под действием микроволнового поля. Спектр испускания такой лампы тот же, что и для лампы с полым катодом из соответствующего элемента. Безэлектродные разрядные лампы изготавливаются главным образом для определения неметаллов (As, Se, Те, Р) и летучих металлов (Hg, Rb, Cs).
Важнейшим недостатком рассмотренных источников излучения является их ’’узкая специализация": каждая лампа пригодна для определения только одного элемента. Существуют, правда, и многоэлемеитные лампы, в которых катод изготовлен из смеси (сплава) нескольких металлов, но для них, как правило, эксплуатационные характеристики хуже, чем для одноэлементных. Поэтому предпринимаются интенсивные усилия по созданию для атомно-абсорбционного анализа источников излучения с перестраиваемой частотой. Одним из таких источников может служить лазер на красителях, дающий излучение достаточной степени монохроматичности. В последнее время сообщается и о применении особо мощных источников излучения непрерывного спектра (ксеноновых ламп) в сочетании с высокоэффективными монохроматорами (дифракционные решетки — эшелетты). Тем не менее лампы с полым катодом и безэлектродные разрядные лампы до сих пор являются основными типами источников излучения в атомной абсорбции.
3.5.	Причины отклонения от закона Бера в атомной абсорбции
Главная инструментальная причина, вызывающая отклонения от закона Бера в спектрофотометрии — немонохроматичность источника — применительно к атомной абсорбции не играет большой роли, поскольку в этом методе используются весьма монохроматичные источники. Тем не менее и в атомной абсорбции существуют причины, приводящие к аналогичным отрицательным отклонениям от закона Бера.
Основная из них — это неоднородность поглощающей среды. В спектрофотометрии поглощающая среда (раствор) однородна по всему поперечному сечению светового потока. В атомной абсорбции облако атомного пара резко неоднородно: в центральной части его плотность выше, по краям — ниже. Его можно представить себе как облако с непрерывно изменяющейся эффективной толщиной поглощающего слоя 1. В качестве упрощенной модели примем, что оно имеет две области с разной эффективной толщиной — 11 и к. Интенсивности световых потоков, падающих на эти области, обозначим как Iqi и Гог, соответственно. Применяя закон Бугера-Ламберта-Бера, получим соотношение, подобное выражению (2.3.3):
18
(3.5.1)
д — in____joi+j<k__
При liy^h эта зависимость нелинейна, а величина E=A/c падает с ростом с. Формально влияние неоднородности среды оказывается полностью аналогичным влиянию немонохроматичности источника. В атомной абсорбции существуют и другие инструментальные причины отклонений от закона Бера (как правило, также отрицательных).
Физико-химические причины в атомной абсорбции сказываются намного сильнее, чем в спектрофотометрии, поскольку в высокотемпературном газе протекает множество побочных процессов, снижающих равновесную концентрацию поглощающих частиц. Подробно характер этих процессов и способы борьбы с ними обсуждаются в следующем разделе.
3.6.	Физико-химические помехи в атомной абсорбции
Поглощающими частицами в атомно-абсорбционном методе анализа являются свободные нейтральные невозбуждеиные атомы. Любой физико-химический процесс, снижающий их равновесную концентрацию, приводит к уменьшению аналитического сигнала.
Такими процессами могут быть связывание атомов в труднодиссоцнирующее соединение
М + X = MX	(3.6.1)
(чаще всего X = O,C,F; обратный процесс представляет собой процесс атомизации). Возможна также ионизация атомов
М = М+ + е~	(3.6.2)
или переход атомов под действием высоких температур в возбужденное состояние1':
М = М*	(3.6.3)
Первые два из этих равновесий представляют собой равновесия ассоциации-диссоциации, поэтому их положение зависит от общей концентрации определяемого элемента в газовой фазе: с ее ростом равновесие (3.6.1) смещается вправо (доля свободных атомов падает), а (3.6.2) — влево (доля свободных атомов растет). Таким образом, неполнота атомизации особенно сильно сказывается при высоких концентрациях вещества, а ионизация — при низких. Оба эти процесса приводят к нарушению линейной зависимости А от с.
Чтобы увеличить равновесную концентрацию поглощающих частиц, используют все основные способы смещения химического равновесия.
а)	Выбор оптимальной температуры атомизации. Процессы атомизации, ионизации и возбуждения атомов являются эндотермическими. При повышении температуры доля ' свободных атомов в газовой фазе возрастает. Однако при этом увеличивается также л	доля ионизированных и возбужденных
неполная	яоннэацяя.	атомов. Поэтому зависимость оптиче-
атонизацяя// Х^оэбухлвнне	ской плотности атомного пара от темпе-
ратуры проходит через максимум (рис.
-----------------------т	9). Оптимальная температура атомиза-
ции определяется природой определяе-
Рис.9. Типичный вид зависимости оптической мого элемента, а также общим составом плотности атомного пара от температуры атоми- анализируемого образца и способом ато-затора	мизации. Для большинства элементов
она находится в пределах 900-2 700°С* 2).
^Реально влиянием этого процесса можно пренебречь, поскольку при температурах, используемых в атомной абсорбции (<3000°С), доля возбужденных атомов никогда не превышает нескольких десятых долей процента (см. е. 5).
2>Для некоторых трудноатомизируемых элементов (W, Zr, Та и т.д.) оптимальной была бы существенно более высокая температура. Однако в силу аппаратурных ограничений температуры атомизации выше 3000°С в атомной абсорбции труднодостижимы.
19
б)	Применение химических добавок. В атомной абсорбции широко используются так называемые спектроскопические буферы (модификаторы матрицы) — вещества, смещающие химические равновесия в газовой фазе в сторону образования свободных атомов. Например, для увеличения степени атомизации трудно диссоциирующих оксидов таких металлов, как Са, Al, Ti и др., к пробе добавляют соли лантана, образующего в газовой фазе весьма прочные оксиды (и фториды):
МО + La = М + LaO
Для уменьшения степени ионизации легко ионизирующихся элементов (щелочные, щелочноземельные металлы) добавляют ионизационный буфер — соль металла (например, К), ионизирующегося еще легче, чем определяемый. За счет его ионизации возрастает равновесная концентрация электронов в газовой фазе, и ионизация определяемого элемента подавляется:
К = К++е*
М + + е~ = М
К настоящему времени описано уже несколько десятков различных спектроскопических буферов. Ввиду чрезвычайной сложности исследования химических равновесий в газовой фазе механизм действия многих из них до сих пор остается не выясненным.
Иногда роль спектроскопического буфера может играть какой-либо химический компонент самого атомизатора. Если атомизатором служит пламя, то диссоциацию оксидов можно улучшить, увеличивая долю горючего газа и тем самым — восстановительные свойства пламени. При использовании графитовых электротермических атомизаторов восстановителем является сам материал атомизатора — графит (при этом, однако, высока вероятность образования трудно диссоциирующих карбидов).
На величину оптической плотности в атомной абсорбции влияют и чисто физические факторы: эффективность распыления раствора в атомизаторе, полнота его испарения и т.д. Эти факторы тоже можно оптимизировать, вводя в пробу различные добавки (например, поверхностно активные вещества резко улучшают диспергирование и полноту испарения раствора в пламени), а также путем варьирования режима работы прибора.
3.7.	Спектральные помехи в атомной абсорбции
В оптической атомной спектроскопии вероятность наложения линий отдельных элементов несравнимо меньше, чем в молекулярной, поскольку атомные спектры состоят из весьма узких линий. Особенно мала такая вероятность в атомно-абсорбционной спектроскопии, так как атомные спектры поглощения гораздо беднее линиями, чем спектры испускания (с. 23). Главными причинами спектральных помех в атомной абсорбции являются испускание и поглощение фона.
Испускание фона. Атомизатор, являясь источником высокой температуры, обладает собственным излучением — в том числе и при длине волны измерения. Оно обусловлено термическим возбуждением атомов определяемого вещества, а также свечением нагретых макрочастиц, неизбежно присутствующих в атомизаторе. Испускание фона приводит к завышению величины светового потка I на выходе из атомизатора и, следовательно, к занижению измеренного значения оптической плотности А = lglo/l.
Для устранения этого эффекта применяют модуляцию светового потока источника. С помощью специального механического или электрического устройства — модулятора — поток источника направляют на пробу периодическими импульсами. На рис. iO показана временная диаграмма светового потока на выходе из атомизатора. В момент времени ti, когда источник освещает пробу, регистрируется суммарная интенсивность I + 1фОЫ. В момент t2 регистрируется только 1фОИ. Исправленное значение интенсивности I находится по разности.
Поглощение фона. Наряду со свободными атомами, в газовой фазе атомизатора всегда присутствуют молекулы — СО, CN, ОН, С2 и т.д., а также макроскопические частицы (пыль, сажа и т.д.). В отличие от атомов, они имеют широкополосные спектры
20
Рис. 10. Схема модуляции светового потока источника в атомной абсорбции
поглощения, накладывающиеся на линии поглощения атомов. Такое поглощение фона называется неселективным; оно особенно велико при использовании электротермических атомизаторов. Оно приводит к завышению наблюдаемых величин оптической плотности. Скомпенсировать его, используя "атомизатор сравнения" (по аналогии с раствором сравнения в спектрофотометрии), невозможно: сделать два оптически равноценных дубликата пламени или графитовой печи чрезвычайно сложно. Для исключения неселективного фонового поглощения применяют специальные технические приемы (разд. 3.9).
3.8.	Метрологические характеристики атомно-абсорбционного метода
Нижняя граница определяемых содержаний. Значения коэффициентов поглощения к в уравнении закона Бера (3.3.2) для большинства элементов имеют порядок 104—10s при использовании пламенной атомизации и 10s-108 — при электротермической (напомним, что эти величины могут сильно изменяться в зависимости от используемой аппаратуры и условий анализа!). Это соответствует нижним границам определяемых концентраций сн"10~7-10_6 М (10~7—10 мкг/мл) для пламенного и !01О~10 s М (10 5-10'3мкг/мл) для электротермического варианта. Метод атомной абсорбции в целом чувствительнее спектрофотометрии, особенно в электротермическом варианте. Резкое — на 2-3 порядка! — повышение чувствительности при переходе от пламенной к электротермической атомной абсорбции связано со значительным увеличением эффективности атомизации. В пламенном варианте она достаточно низка ввиду того, что раствор пробы, непрерывно и с большой скоростью распыляемый в пламя, находится в атомизаторе весьма малое время.
Если рассматривать нижние границы определяемых количеств, то использование электротермической атомизации по сравнению с пламенной дает дополнительный выигрыш на 1-2 порядка ввиду резкого сокращения объема пробы (в пламенном варианте на единичное определение расходуется обычно не менее 1 мл раствора, а в электротермическом — одна капля, 5-50 мкл).
Указанные соотношения в чувствительностях различных методов представляют собой лишь общие тенденции, из которых возможны исключения. Например, для Fe и Sn нижние границы определяемых концентраций в пламенном и электротермическом вариантах практически одинаковы. Для трудно атомизируемых элементов (W, Та, U и др.) более чувствительным вообще оказывается метод спектрофотометрии; при использовании же атомной абсорбции для них предпочтительнее пламенный вариант (в условиях электротермического определения эти элементы образуют очень прочные карбиды).
Верхняя граница определяемых содержаний. В области высоких концентраций в атомной абсорбции наблюдаются значительные отклонения от закона Бера, не устранимые, в отличие от спектрофотометрии, путем повышения степени монохроматичности источника. Способ анализа, аналогичный дифференциальной спектрофотометрии, в атомной абсорбции также невозможен. Рабочий диапазон концентраций ограничен, как правило, значениями А • 0.6-1.2, т.е. составляет не более 2 порядков.
Воспроизводимость. Пламя является одним из наиболее стабильных источников
21
высоких температур. В пламенном варианте значения sr обычно составляют 2-5%, т.е. примерно такие же, как и в спектрофотометрии. В электротермическом варианте воспроизводимость несколько хуже.
Селективность. В атомной абсорбции, в отличие от спектрофотометрии, наложения спектральных линий компонентов не играют практически никакой роли (с. 19). Взаимное влияние компонентов имеет не спектроскопическую, а в основном физико-химическую природу. Для подавления этих влияний и увеличения селективности широко используются спектроскопические буферы (разд. 3.6.). При использовании электротермической атомизации очень эффективным средством повышения селективности служит программирование температуры атомизатора. На рис. 11 приведен типичный вид такой температурной программы. В процессе высушивания происходит медленное испарение растворителя. Стадия озоления играет в обеспечении селективности решающую роль: здесь из пробы удаляются все компоненты, более летучие, чем определяемый элемент. Озоление стараются проводить при возможно более высокой температуре. На стадии атомизации включается регистрирующая схема прибора и измеряется аналитический сигнал. Заключительный кратковременный отжиг при максимально возможной температуре необходим для очистки поверхности атомизатора от трудно летучих компонентов.
Рис.11. Общий вид температурной программы электротермического атомизатора. Стадии:
1 — высушивание
2 — озоление
3 — атомизация
4 — отжиг
Если взаимное влияние компонентов не приводит к нарушению прямо пропорциональной зависимости А от с, а лишь изменяет (обычно занижает) коэффициент поглощения к, т.е. погрешность носит мультипликативный характер, то для ее устранения можно применять способ добавок (с. 8). Сочетание всех указанных приемов позволяет разрабатывать высокоселективные атомно-абсорбционные методики для большинства элементов.
3.9.	Аппаратура в атомно-абсорбционном анализе
Принципиальная схема атомно-абсорбционного спектрометра приведена ниже.
Она очень похожа на схему спектрофотометра (с. 13). Обратите внимание на обязательное наличие модулятора (иногда он имеется и в спектрофотометрах). Роль "кюветного отделения" исполняет атомизатор. Монохроматор (как правило — дифракционная решетка) расположен обычно не до кюветного отделения, как в спектрофотометрах, а после него. В отличие от спектрофотометров, роль монохроматора здесь заключается не в выделении узкой спектральной полосы из широкого непрерывного спектра источника, а в отсечении "лишних" спектральных линий. Относительно кон
22
струкций источников света см. разд. 3.4., а атомизаторов — 3.2. Детекторами, как правило, служат фотоэлектронные умножители. Для регистрации сигнала часто используют самописцы или иные устройства, позволяющие непрерывно регистрировать сигнал во времени; при электротермической атомизации это требование становится обязательным, поскольку в этом случае сигнал имеет форму пика — непрерывно нарастает, а затем убывает во времени.
Новейшие усовершенствования атомно-абсорбционных спектрометров связаны главным образом с возможностью компенсации иеселективного поглощения фона (разд. 3.7). Один из таких способов состоит в том, что атомизатор, наряду с источником линейчатого спектра, одновременно освещают источником непрерывного спектра — обычно дейтериевой лампой, отчего этот способ получил название "дейтериевой коррекции фона". Излучение дейтериевой лампы, не будучи монохроматическим, практически не поглощается свободными атомами, однако поглощается фоном. Электронная система прибора разделяет сигналы от обоих источников (для этого, например, можно использовать их модуляцию с разными частотами) и автоматически делает поправку на измеренное поглощение фона. Указанным способом удается скомпенсировать поглощение фона до 0.2 единиц оптической плотности.
Более современный способ коррекции фонового поглощения основан на эффекте Зеемана. Источник излучения или атомизатор помещаются между полюсами сильного электромагнита. При наложении магнитного поля линии испускания и поглощения свободных атомов смещаются, а положения полос компонентов фона остаются практически без изменения. Если поле достаточно сильное, то смещение велико; в этом случае можно считать, что при длине волны излучения лампы с полым катодом свободные атомы практически не поглощают. Измеренное в этих условиях значение сигнала представляет собой чистую оптическую плотность фона. В отсутствие поля оптическая плотность представляет собой сумму плотностей фона и атомного пара. Периодически включая и выключая магнитное поле (т.е. используя прием, аналогичный модуляции источника света) и измеряя при этом величины сигналов, можно затем найти исправленное значение оптической плотности атомного пара по разности. Зеемановская коррекция позволяет компенсировать поглощение фона до 1-2 единиц оптической плотности.
4.	Атомно-эмиссионный метод анализа
4.1.	Общая характеристика метода
В методе атомно-эмиссионной спектроскопии измеряется испускание излучения оптического диапазона возбужденными свободными атомами. В атомной эмиссии, как и в атомной абсорбции, для перевода определяемого элемента в состояние атомного пара используется источник высокой температуры — атомизатор. Одновременно здесь он является и источником возбуждения атомов. Таким образом, в атомно-эмиссионном методе возбуждение атомов имеет термический характер.
Атомы, находящиеся в возбужденных состояниях, могут испускать фотоны множества различных частот, давая многолинейчатый спектр (см. диаграмму справа). Переходы, завершающиеся в основном состоянии,составляют главную (резонансную) серию линий (соответственно, в абсорбционном спектре резонансные линии соответствуют переходам из основного состояния). Наблюдаемое число линий в атомных эмиссионных спектрах
23
обычно гораздо больше, чем в абсорбционных. Действительно, интенсивность 1у спектральной линии с частотой vy = |E,—Ej!/h прямо пропорциональна заселенности N, того энергетического уровня, с которого совершается переход:
Iij = kNj	(4.1.1)
(см. выражения 1.5.1, 1.5.2). В условиях термодинамического равновесия заселенность основного состояния намного выше, чем возбужденных (с. 5), поэтому в атомных абсорбционных спектрах наблюдаются только линии, соответствующие переходам из основного состояния (резонансные). Для процессов же эмиссии переходы из основного состояния, очевидно, невозможны. Эмиссионные линии соответствуют переходам из различных возбужденных состояний (заселенности которых, как правило, соизмеримы между собой) в состояния с меньшими энергиями. Однако и в эмиссионных спектрах главная серия обычно имеет большую интенсивность, чем побочные.
4.2.	Атомизаторы в атомной эмиссии
В атомно-эмиссионном, в отличие от атомно-абсорбционного метода анализа, атомизатор служит не только для образования атомного пара, но и для возбуждения свободных атомов. Процесс возбуждения является эндотермическим. Поэтому в атомной эмиссии используются, как правило, более высокотемпературные источники атомизации (очень важным исключением является использование низкотемпературных атомизаторов — пламен — для атомно-эмиссионного определения легковозбудимых щелочных и щелочноземельных элементов). Если в атомной абсорбции рабочие температуры не превышают 3000°С, то в атомной эмиссии они могут достигать 10000°С и выше.
Рассмотрим основные типы атомизаторов, используемых в атомно-эмиссионном анализе, в порядке возрастания их рабочих температур.
Пламя. Краткая характеристика наиболее распространенных в атомно-спектроскопических методах анализа пламен приведена в разд. 3.2. Диапазон их рабочих температур от 1500 до 3000°С. При столь низких температурах в заметной степени возбуждаются лишь атомы щелочных и щелочноземельных элементов (начиная с Са). Для определения этих элементов метод пламенной атомно-эмиссионной фотометрии является одним из лучших. Анализируемый раствор непрерывно распыляется в пламя с помощью форсунки — точно так же, как и в атомно-абсорбционном анализе с пламенной атомизацией.
Электрическая дуга. Используется дуговой разряд как постоянного, так и переменного тока. Рабочие температуры составляют от 3000 до 7000°С. Таких температур достаточно для атомизации и возбуждения большинства элементов, за исключением некоторых очень трудно возбудимых неметаллов (например, галогенов). Анализируемый твердый образец используется в качестве одного из электродов (например, при анализе сплавов) или наносится в твердом виде на один из электродов, образующих дугу (обычно используются графитовые электроды). При анализе растворов их предварительно выпаривают с твердым порошкообразным коллектором (обычно также графитовым). Серьезный недостаток дугового атомизатора (особенно постоянного тока) — его низкая стабильность.
Высоковольтная искра. Отличительная особенность этого источника атомизации — отсутствие термодинамического равновесия между находящимися в нем частицами (атомами, ионами, свободными электронами). Поэтому говорить в целом о температуре искрового разряда достаточно сложно. Его "эффективная" температура атомизации достигает 10000-12000°С. Высоковольтная искра является одним из самых высокотемпературных источников атомизации. Техническая реализация анализа в дуговом и искровом разрядах весьма схожа. Очень часто в спектральных приборах для генерации дуги и искры используют одно и то же устройство.
Плазменные атомизаторы. Это — самые современные типы атомизаторов. Наилучшими аналитическими характеристиками обладает высокочастотная индуктивно связан
24
ная аргоновая плазма (ИСП). Источник ИСП представляет собой плазменную горелку достаточно сложной конструкции, состоящей из трех концентрических кварцевых трубок. В них с большой скоростью подаются потоки аргона. Самый внутренний служит для впрыскивания раствора пробы, промежуточный является плазмообразующим, а внешний служит для охлаждения плазмы; расход аргона в этом потоке особенно велик (10-20 л/мин). Аргоновая плазма инициируется ("поджигается") искровым разрядом, а затем стабилизируется с помощью высокочастотной индуктивной катушки, окружающей верхнюю часть горелки; при этом возникает сильный кольцевой ток ионов Аг + . Рабочая температура ИСП составляет порядка 10000°С.
4.3.	Основной закон атомной эмиссии
Как следует из соотношения (4.1.1), интенсивность эмиссионной линии прямо пропорциональна заселенности возбужденного уровня Nn, с которого совершается переход. В свою очередь, в соответствии с законом распределения Больцмана (1.5.3) величина Nn пропорциональна заселенности основного уровня No, т.е. фактически общей концентрации атомов в атомизаторе. Последняя прямо пропорциональна (при фиксированных условиях атомизации) общей концентрации определяемого элемента с. Поэтому
I = ас	(4.3.1)
Однако это соотношение строго справедливо лишь для бесконечно тонкого излучающего слоя. Если его толщина конечна, то излучение возбужденных атомов будет частично поглощаться невозбужденными атомами того же элемента, находящимися в периферийной части атомизатора (см. схему справа).В
результате регистрируемая детектором интенсивность уменьшается. Это явление называется самопоглощением. Поскольку в периферийной части атомизатора температура обычно значительно ниже, чем в центральной, то в силу меньшего допплеровского уширения (разд. 1.6) ширина атомной линии поглощения в этом случае меньше, чем линии испускания. Поэтому наиболее интенсивно будет поглощаться часть излучения вблизи максимума линии. Это может привести к
О О - ООО 0	0 ПР О
0 0	0 -
0 Ф * 00 00 М
>0
М0
самообрашению линии испускания — ее кажущемуся расщеплению на две линии (рис. 12).
Рис.12. Схема самообращения спектральной линии
1	— исходный профиль линии испускания
2	— профиль линии поглощения
3	— самообращенная линия
Степень самопоглощения, очевидно, возрастает с увеличением концентрации атомного пара. Это приводит к нарушению линейности зависимости I от с. Для учета влияния самопоглощения на интенсивность эмиссионной линии предложено эмпирическое уравнение
I = ась	(4.3.2)
называемое уравнением Ломакина-Шейбе. Параметр Ъ, характеризующий степень самопоглощения, сам является функцией концентрации с и при ее увеличении непрерывно изменяется от 1 до 0. Зависимость интенсивности эмиссионной линии от концентрации определяемого элемента (без учета ионизации; см. следующий раздел), описываемая
25
уравнением (4.3.2), приведена на рис. 13,а. Ее начальный участок, когда b= 1, близок к линейному.
При работе в достаточно узком концентрационном диапазоне величину b можно считать практически постоянной. В этом случае зависимость интенсивности от концентрации в билогарифмических координатах
а
ь=± о
191
б
Ь<1
Ь=^1
Igc
Рис.13. а — Зависимость интенсивности эмиссионной спектральной линии от концентрации определяемого элемента: 1 — без учета ионизации, 2 — с учетом ионизации
б — то же, в логарифмических координатах
Igl = Iga + blgc
(4.3.3)
близка к прямолинейной даже в том случае, когда b < 1. Переход к билогарифмиче-ским координатам позволяет использовать для аналитических целей и нелинейный участок зависимости I от с (рис. 13, б).
4.4.	Физико-химические помехи в атомной эмиссии
Поскольку природа физико-химических процессов в условиях атомно-эмиссионного и атомио-абсорбционного анализа весьма схожа, то и источники физико-химических помех, а также формы их проявления и способы борьбы с ними в этих двух методах анализа, в общем, одни и те же (см. разд. 3.6). Как и в атомной абсорбции, в атомной эмиссии важнейшими физико-химическими помехами являются ионизация (рис. 13, кривая 2) и неполная атомизация. Зависимость интенсивности спектральной линии от температуры в атомной эмиссии также проходит через максимум (рис. 14). Сравните рис. 14 с рис. 9 (с. 18) и обратите внимание, что в атомной абсорбции возбуждение атомов приводит к уменьшению аналитического сигнала, а в атомной эмиссии — к увеличению. Значительное превышение температуры атомизации по сравнению с оптимальной может привести к почти полному исчезновению линий нейтральных атомов вследствие ионизации (например, для калия степень ионизации при 3000 К может достигать 99%). Однако в атомной эмиссии, в отличие от атомной абсорбции, возможно определение элементов и по линиям испускания их возбужденных ионов. Так, спектры, полученные в искровом разряде, в силу его высокой температуры состоят главным образом из линий ионов.
неполная атомизацияэ налов возбуждвпив
Рис.14. Типичный вид зависимости ин-онизания тенсивности эмиссионной спектральной <	линии от температуры атомизатора
Степень физико-химических помех сильно зависит от способа и условий атомизации (например, для дугового разряда — от материала электродов). Наиболее "чистым" атомизатором является источник ИСП, в котором проба изолирована от окружающей среды инертным газом — аргоном. Межэлементные влияния компонентов пробы в ИСП также малы ввиду высокой температуры, благоприятствующей распаду любых многоа
26
томных частиц; мала и степень ионизации вследствие высокой концентрации свободных электронов в аргоновой плазме.
4.5.	Спектральные помехи в атомной эмиссии
Излучение и поглощение фона. В атомной эмиссии, в отличие от атомной абсорбции, главную роль играет неселективное излучение фона, которое в этом случае, очевидно, невозможно скомпенсировать с помощью модуляции. В частности, при использовании дуговой или искровой атомизации с угольными электродами возникают интенсивные эмиссионные помехи со стороны молекул CN иС- в области 360-460 нм. При возникновении подобных помех использовать соответствующую область спектра в аналитических целях становится невозможно.
Наложение атомных спектральных линий в атомно-эмиссионной спектроскопии играет значительно большую роль, чем в атомно-абсорбционной (где вероятность подобного события почти нулевая). Причина состоит в том, что атомно-эмиссионные спектры гораздо богаче линиями, чем атомно-абсорбционные (разд. 4.1). С ростом температуры атомизации эмиссионные спектры усложняются, поскольку в них начинают проявляться новые линии, связанные с переходами из высших возбужденных состояний, а также линии возбужденных ионов. Расшифровку спектров, полученных при высоких температурах (ИСП, искра), часто необходимо проводить компьютерными методами.
Самопоглощение (разд. 4.3) является специфической спектральной помехой во всех эмиссионных методах анализа. Степень самопоглощения во многом определяется геометрией атомизатора. Для источников ИСП самопоглощение значительно меньше, чем для любых других типов атомизаторов.
4.6.	Метрологические характеристики атомно-эмиссионного метода
Нижняя граница определяемых содержаний в значительной мере зависит от способа атомизации. При использовании традиционных универсальных атомизаторов (дуговой, искровой разряд) величины Сн для большинства элементов имеют порядок 10-1 -10° мкг/мл, т.е. несколько хуже, чем в атомной абсорбции (даже в пламенном варианте). Применение ИСП снижает значения сн на 1-2 порядка ввиду значительно более высокой стабильности этого источника атомизации (см. ниже, "Воспроизводимость"). Для щелочных и щелочноземельных металлов очень низкие величины сн (до КН-КРмкг/ мл) могут быть достигнуты при использовании пламени. Более высокая (в целом) чувствительность атомно-абсорбционного метода по сравнению с атомно-эмиссионным связана с тем, что в атомной абсорбции аналитически активными являются атомы, находящиеся в основном состоянии (т.е. основная доля атомов определяемого элемента), а в атомной эмиссии — в возбужденном состоянии, доля которых весьма мала. Тем ие менее использование атомной эмиссии безусловно предпочтительнее для определения элементов, относящихся к двум "крайним" классам:
-с аномально низкими энергиями атомизации и возбуждения — щелочные, щелочноземельные металлы; источник атомизации — низкотемпературный (пламя);
-с аномально высокими энергиями этих процессов — W, Та, Zr, галогены; источник атомизации — высокотемпературный (ИСП, искра).
На долю атомной абсорбции, таким образом, остается "золотая середина".
Верхняя граница определяемых содержаний лимитируется главным образом само-поглощением и связанным с ним нарушением линейности градуировочной характеристики. В зависимости от содержания элемента для его определения можно использовать линии разной интенсивности. При наличии самопоглощения можно в достаточно узком интервале концентраций линеаризовать градуировочную характеристику путем перехода к билогарифмическим координатам (с. 25). Таким образом, диапазон определяемых
27
концентраций в атомной эмиссии состоит обычно из нескольких отдельных поддиапазонов, каждый из которых покрывает не более 1 порядка, а все вместе — 2-3 порядка. Разительный контраст и здесь являет собой метод ИСП, в котором самопоглощение практически отсутствует, а единый диапазон линейности может достигать 4-5 (!) порядков.
Воспроизводимость. Аналитический сигнал в атомной эмиссии пропорционален заселенности возбужденного состояния атомов и поэтому весьма чувствителен к флуктуациям температуры. В силу этого воспроизводимость в атомной эмиссии потенциально ниже, чем в атомной абсорбции — где аналитический сигнал пропорционален заселенности основного состояния, которая почти не изменяется с изменением температуры. Для наиболее стабильных источников атомизации (пламя, ИСП) воспроизводимость почти такая же, как и в атомной абсорбции: sr-0.01-0.05. Однако для искрового и особенно дугового разряда она существенно хуже: Sr-0.1-0.2.
Для улучшения воспроизводимости в атомной эмиссии широко применяют способ внутреннего стандарта. Внутренним стандартом называется компонент, содержание которого во всех образцах, используемых для построения градуировочного графика, а также в анализируемом образце, одинаковы. Чаще всего это компонент основы; при отсутствии подходящего компонента внутренний стандарт следует ввести специально. Одновременно с интенсивностью линии определяемого элемента I измеряют интенсивность какой-либо определенной линии внутреннего стандарта Ist; такая пара линий называется гомологической парой. При построении градуировочной характеристики вместо величины I используют отношение I/Ist- Если колебания температуры (и других параметров) влияют на величины I и Ist в равной мере, то при вычислении их отношения эти влияния взаимно компенсируются (релятивизация); при этом воспроизводимость данных существенно улучшается.
При выборе гомологической пары линий существенно, чтобы они были достаточно близки как по энергиям (длинам волн), так и по интенсивностям. Близость энергий необходима, чтобы колебания температуры сказывались на I и Ist действительно в равной мере. В самом деле, из уравнения Больцмана (1.5.3) следует, что I/Icr= const  ехр(-(Е - Est)/kT). Эта величина не зависит от температуры только в случае Е = Est.
Селективность в атомной эмиссии может лимитироваться как физико-химическими, так и спектральными помехами (разд. 4.4 и 4.5). Поэтому селективность атомноэмиссионных методов в целом ниже, чем атомно-абсорбционных, для которых спектральные помехи играют существенно меньшую роль.
Использование в качественном анализе. Важнейшей особенностью метода атомной эмиссии, отличающей его от рассмотренных ранее спектроскопических методов, является его широкое использование для качественного элементного анализа. Применение для этой цели спектрофотометрии затруднительно ввиду малой информативности широкополосных молекулярных спектров и высокой вероятности их перекрывания (хотя для ряда элементов имеются достаточно селективные цветные качественные реакции). Качественный анализ атомно-абсорбциоиным методом трудно осуществим технически: для этого потребовалось бы использовать набор ламп с полым катодом для всех химических элементов. Атомно-эмиссионный метод свободен от указанных недостатков. Он является многоэлементным методом анализа, позволяющим одновременно (или за короткое время) регистрировать и идентифицировать спектральные линии нескольких десятков элементов.
Из традиционных источников атомизации наиболее подходящим для качественного анализа является дуговой разряд. С одной стороны, температура дуги достаточна для атомизации и возбуждения большинства элементов. С другой стороны, поскольку температура дуги ниже, чем, например, искры или ИСП, то дуговые спектры существенно беднее линиями, что облегчает идентификацию. При использовании ИСП атомные спектры значительно сложнее. В этом случае качественный анализ проводится
28
путем компьютерной расшифровки спектров и часто совмещается с количественным.
Для идентификации элементов используют главным образом наиболее интенсивные, так называемые "последние" линии (название связано с тем, что при уменьшении концентрации элемента эти линии исчезают в последнюю очередь). Для надежной идентификации обязательно использование нескольких спектральных линий одного элемента.
4.7.	Аппаратура в атомно-эмиссионном анализе
Принципиальная схема атомно-эмиссионного спектрометра приведена ниже.
атомизатор
моно- или полихроматор
детектор
регистрирующее устройство
В отличие от рассмотренных ранее схем абсорбционных спектрометров (с. 13, 21), здесь, естественно, отсутствует внешний источник излучения. Другая особенность — возможное использование вместо монохроматора полихроматора — устройства, обеспечивающего возможность одновременной регистрации множества спектральных линий и — как следствие — возможность проведения экспрессного многоэлементного анализа. В качестве монохроматоров и полихроматоров обычно применяются призмы или дифракционные решетки. При использовании их как монохроматоров на выходе имеется щель, выделяющая узкую спектральную область; у полихроматоров такая щель отсутствует. При пламенной атомизации ввиду малого числа наблюдаемых в этих условиях эмиссионных линий возможно и использование монохроматоров низкого разрешения — светофильтров.
В качестве детекторов в случае, если используются монохроматоры, применяют фотоэлектрические преобразователи тех же типов, что и в других оптических методах анализа (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фотодиоды). При использовании полихроматоров применяют набор таких детекторов, обычно фотодиодов ("диодная линейка"). Однако в этом случае используют и другие способы регистрации. Наиболее распространенный из них •— фотографический (фотохимический), при котором эмиссионный спектр фотографируют на фотопластинку. Интенсивность спектральной линии в этом случае находят, измеряя почернение (оптическую плотность) изображения линии на фотопластинке. Для массовых полуколичественных анализов применяют и приборы с визуальной индикацией (стшюскопы).
5.	Люминесцентные методы анализа
5.1.	Общая характеристика методов
Люминесцентные методы анализа относятся к эмиссионным. Но, в отличие от ранее рассмотренной высокотемпературной атомной эмиссии, люминесценция — процесс неравновесный. Возбуждение здесь имеет нетермическую природу, а частицы в основном и возбужденном состоянии не находятся между собой в термодинамическом равновесии. Доля излучающих возбужденных частип на много порядков превосходит равновесную; поэтому люминесцентные методы характеризуются очень высокой чувствительностью.
С практической точки зрения люминесценция отличается от равновесной эмиссии тем,
29
что протекает, как правило, при низких температурах ("холодное свечение"), а также повышенной длительностью свечения (от 10”8 с до нескольких часов). Процессы люминесценции сложны и многообразны. Классификацию люминесцентных методов можно провести по нескольким независимым позициям:
1)	природа излучающих частиц: атомная, молекулярная, твердотельная (рекомбинационная) люминесценция;
2)	природа процесса люминесценции: флуоресценция, замедленная флуоресценция, фосфоресценция;
3)	источник энергии для возбуждения: фотолюминесценция (излучение оптического диапазона), хемилюминесценция (химические реакции), триболюминесценция (трение), катодолюминесценция (пучок электронов) и т.д.
Мы ограничимся рассмотрением лишь наиболее распространенного в химическом анализе способа возбуждения люминесценции — фотолюминесценции. Перевод частиц в возбужденное состояние при этом осуществляется за счет поглощения света от внешнего источника. В таком варианте люминесцентный метод, являясь по своей сути эмиссионным, в то же время обладает и многими особенностями, характерными для абсорбционных методов - с точки зрения как физической сущности процессов, так и аппаратурной реализации.
5.2.	Сущность явления люминесценции
Люминесценция молекул.
Нормальная (быстрая) флуоресценция. При поглощении кванта света подходящей энергии молекула переходит в одно из возбужденных электронных состояний; при этом может измениться также колебательная составляющая энергии (рис. 15, процессы 1,3). Избыток колебательной энергии быстро теряется без излучения вследствие соударений частиц (колебательная релаксация; рис. 15, процессы 2,4).
Рис.15. Схема процесса нормальной (быстрой) молекулярной флуоресценции. Прямыми стрелками обозначены излучательные (поглощательные) переходы, волнистыми — безызлучательные
Рис.16. Схема процессов молекулярной флуоресценции и замедленной флуоресценции
Энергии возбужденных электронных состояний молекулы обычно близки, поэтому нижний колебательный уровень верхнего электронного состояния почти совпадает по энергии с каким-либо колебательным уровнем более низкого возбужденного состояния. В этом случае происходит внутренняя конверсия — переход молекулы в более низкое по энергии электронное состояние без изменения полной энергии (рис. 15, процесс 5). В результате последующей колебательной релаксации (процесс 6) молекула опять-таки оказывается на нижнем колебательном уровне самого первого возбужденного состояния.
В этом состоянии молекула обладает избытком электронной энергии, который она
30
может отдать двумя способами. Один из них — это безызлучательная релаксация (процесс 7), частным случаем которой служит рассмотренная выше колебательная релаксация. Однако колебательная релаксация — без изменения электронного состояния — всегда происходит очень быстро, а релаксация с изменением электронного состояния может быть кинетически затруднена. В этом случае большую роль начинает играть другой процесс, люминесценция, т.е. излучательный переход в основное состояние (процесс 8). При этом также может измениться колебательная составляющая энергии.
Соотношение вероятностей люминесценции и безызлучательной релаксации характеризует квантовый выход люминесценции, равный отношению числа испущенных квантов света к числу поглощенных:
фкв ~ Нпом/N
НОГЛ	(5.2.1)
Для подавляющего большинства молекул эта величина ничтожно мала. Такие вещества можно считать практически не люминесцирующими. Люминесцирующим обычно считается вещество, для которого фкв>0.01. Круг таких веществ весьма ограничен.
Помимо квантового, используется также энергетический выход люминесценции, равный отношению полных энергий (или интенсивностей) испускаемого и поглощаемого световых потоков:
фэн Ejjjom/ЕцоГЛ = ^ЛТОмДпоГЛ	(5.2.2)
Соотношение между фкв и фэн обсуждается в следующем разделе.
Рассмотренный процесс молекулярной люминесценции называется нормальной (быстрой) флуоресценцией. Она характеризуется достаточно малой длительностью свечения (-10й с). Для спектра быстрой флуоресценции справедливо правило зеркальной симметрии (разд. 5.4).
Фосфоресценция и замедленная флуоресценция. В молекулах может осуществляться и более сложная схема электронных переходов, также приводящая к люминесценции. Для молекул, основное состояние которых синглетное (без неспаренных электронов), возможны как синглетные S, так и триплетные Т (с двумя неспаренными электронами) возбужденные состояния. Прямые переходы с изменением спина S—Т и Т—>3 запрещены квантовомеханическими правилами отбора (крайне маловероятны). Однако вероятность таких переходов возрастает с уменьшением разности энергий между состояниями.
Молекула, способная к люминесценции, может обладать строением электронных уровней, подобным изображенному иа рис. 16 -— между основным So и низшим возбужденным синглетным Si состояниями может находиться триплетный уровень Т. В этом случае после возбуждения 1 и колебательной релаксации 2 молекула оказывается, как и в рассмотренном ранее случае, на нижнем колебательном уровне возбужденного синглетного состояния Sj. Наряду с уже известными процессами безызлучательной релаксации 3 и быстрой флуоресценции 4 здесь появляется возможность возврата в основное состояние So через триплетный уровень Т. Переход из Si в Т становится возможным в результате внутренней конверсии 5 (снятие запрета ввиду близости энергий!), называемой в этом случае интеркомбинационной. После колебательной релаксации 6 молекула оказывается на нижнем колебательном уровне триплетного состояния.
Переход Т—>So снова может осуществляться как безызлучательный (7) либо излучательный (8). Излучательный переход 8 происходит весьма медленно, так как вероятность его мала. Он называется фосфоресценцией. От быстрой флуоресценции фосфоресценция отличается как длительностью (10~3 с и более), так и спектральным составом: по сравнению со спектром флуоресценции спектр фосфоресценции смещен в сторону меньших энергий (больших длин волн).
Еще одна возможность возврата из состояния Т в основное состояние So — через уровень Si. Под действием тепловой энергии молекула может перейти на верхний колебательный уровень триплетного состояния Т, а затем — опять вследствие конверсии — на уровень 81(процессы, обратные процессам 6 и 5 рис. 16). В дальнейшем может
31
произойти флуоресценция 4. Такая флуоресценция называется замедленной. От быстрой флуоресценции она отличается только повышенной длительностью свечения (10 5-1 (Н с). По спектральному составу быстрая и замедленная флуоресценция идентичны.
Люминесценция атомов. Ее можно наблюдать только в условиях существования свободных атомов, т.е. в газовой фазе при высоких температурах. Спектры люминесценции атомов, как и любые атомные оптические спектры, имеют линейчатый характер. Поскольку в свободных атомах отсутствует колебательная составляющая энергии, внутренняя конверсия невозможна; поэтому при люминесценции атомов наблюдаются и переходы из высших возбужденных состояний. Обычно в спектрах атомной люминесценции наблюдаются только главная (резонансная) серия линий (с. 22), т.е. эти спектры значительно проще атомно-эмиссионных. Примером атомной люминесценции служит излучение ламп с полым катодом, применяемых в качестве источников света в атомноабсорбционном методе (разд. 3.4). Возбуждение атомов здесь осуществляется под действием тлеющего электрического разряда. По характеру свечения люминесценция атомов представляет собой флуоресценцию; процессы фосфоресценции при столь высоких температурах невозможны (с. 33).
Люминесценция твердых тел. В твердых телах вместо дискретных энергетических уровней существуют непрерывные энергетические зоны, принадлежащие всему кристаллу в целом. Нижняя по энергии зона называется валентной, верхняя — зоной проводимости.
Если эти зоны перекрываются, тело является проводником. Взаимодействие электромагнитного излучеиия с проводниками не сопровождается никакими оптическими эффектами, кроме отражения и рассеяния света.
Если между валентной зоной и зоной проводимости существует энергетический зазор — запрещенная зона — то тело является диэлектриком либо — при малой ширине запрещенной зоны (до 5 эВ) — полупроводником. При взаимодействии излучения с такими телами могут наблюдаться явления, аналогичные рассмотренным выше различным видам люминесценции молекул. Отличие состоит в том, что в твердых телах электрон, оказавшись в зоне проводимости, может свободно перемещаться по ней. Соответственно и вакансия ("дырка"), образовавшаяся в валентной зоне вследствие ухода из нее электрона, тоже может по ней перемещаться. Таким образом, важнейшая особенность люминесценции твердых тел состоит в том, что поглощают излучение одни частицы, а испускают — другие (рис. 17, а). При этом излучательный переход можно трактовать как рекомбинацию (воссоединение) электрона и "дырки". Поэтому твердотельную люминесценцию обычно называют рекомбинационной.
Рис.17. Примеры процессов, происходящих при люминесценции твердых тел.
а — межзонная люминесценция
б,	в — люминесценция на центрах свечения
г — люминесценция изолированного центра свечения
Процесс, изображенный на рис. 17, а и связанный с переходами непосредственно между валентной зоной и зоной проводимости, наблюдается редко из-за большой вероятности безызлучательной релаксации. Гораздо большее значение в аналитической химии имеют другие виды люминесценции твердых тел, связанные с наличием всевозможных дефектов кристаллической структуры — например, за счет примесных атомов. Наличие таких дефектов приводит к усложнению энергетической структуры твердого тела, возникновению дополнительных энергетических уровней, локализованных в том числе и в запрещенной зоне. В этом случае возможными становятся разнообразные процессы, примеры
32
которых приведены на рис, 17,6 и в. Некоторые из таких переходов являются разрешенными, другие — запрещенными; в этих случаях возникает, соответствеино, флуоресценция либо фосфоресценция. В некоторых ситуациях, например, при наличии в пределах запрещенной зоны двух или более энергетических уровней одного и того же центра свечения может осуществляться процесс, показанный на рис. 17, г. Он представляет собой точную аналогию молекулярной люминесценции, поскольку при этом поглощение и излучение происходит на одном и том же центре.
5.3.	Соотношения между спектрами люминесценции и поглощения
Правило Стокса-Ломмеля. Большинство элементарных актов фотолюминесценции связано с потерей части световой энергии вследствие колебательной релаксации. Поэтому средняя энергия испускаемого кванта ниже, чем поглощаемого:
ЕлюМ<БпоГЛ	(5.3.1)
Соотношение (5.3.1) означает, что спектр люминесценции в целом, а также его максимум смещены относительно спектра (максимума) поглощения в сторону меньших энергий (больших длин волн). Это положение называется правилом Стокса-Ломмеля. Оно справедливо для всех видов молекулярной и рекомбинационной люминесценции — как флуоресценции, так и фосфоресценции. При этом спектр фосфоресценции смещается в более длинноволновую область, чем спектр флуоресценции (c.JSO). ’
Из правила Стокса-Ломмеля следует, что энергетический выход люминесценции меньше, чем квантовый. Действительно, по определению,
фэн Бдю^/Епогл, фкв = NnloM/N погл
Но ЕЛЮМ-ЕЛЮМ^ЛЮМ, Епогл = ЕПОгл’Ь1погл, поэтому
Фэи " Елюм/ЕПоглфкв	фкв	(5.3.2)
Вывод (5.3.1) о соотношении энергий поглощенного и излученного кванта справедлив лишь для их средних энергий. Для элементарных актов может иметь место и обратное соотношение Елк,м>ЕПОгл. Это возможно при поглощении кванта света частицей, обладающей запасом колебательной энергии. Процесс с ЕЛ1Ом<ЕПогл называется стоксовым, с ЕЛ1ОМ>ЕПогл - антистоксовым (рис. 18). Вероятность антистоксовых процессов, очевидно, меньше, чем стоксовых, поскольку заселенность высших колебательных уровней меньше, чем основного.
1
Рис.18. Стоксов (1) и антистоксов (2) процессы люминесценции
Правило зеркальной симметрии. Оно было сформулировано В.Л.Левшиным и гласит следующее:
спектры флуоресценции и поглощения одного и того же вещества, нормированные к их максимумам1), зеркально симметричны относительно вертикали, проходящей через точку их пересечения (рис. 19,а).
Пояснение правила зеркальной симметрии дает рис. 19,6. Как видно из него, если в основном и возбужденном электронном состояниях структура колебательных уровней примерно одина
Рис.19. Правило зеркальной симметрии (а) и его иллюстрация (б). 1 - спектр люминесценции, 2 - спектр поглощения
кова (как правило, это так), то каждому абсорбционному переходу с энергией Ео-о’+ ДЕхоя соответствует эмиссионный переход с .энергией Еоч>—ДЕК0Л. Таким обра-
^Нормировка к максимуму означает, что по оси ординат спектров вместо величин I и А откладывают, соответственно, I/Iman и А/Ата*. Без операции нормировки сопоставление спектров люминесценции и поглощения некорректно, так как I и А имеют разную размерность.
33
зом, энергии абсорбционных и эмиссионных переходов "зеркально симметричны" относительно величины Ео-о— энергии чисто электронного перехода.
Приведенные рассуждения показывают, что для проверки правила зеркальной симметрии по спектральной оси абсцисс следует откладывать энергию квантов или пропорциональную ей величину (частоту, волновое число), но не длину волны, которая обратно пропорциональна энергии. Детальное квантовомеханическое рассмотрение правила зеркальной симметрии, проведенное Д.И.Блохинцевым, показало, что оно соблюдается более строго, если для построения нормированных спектров использовать не величины I и А, а, соответственно, I/v4 и A/v. Точка пересечения нормированных спектров, построенных в этих координатах, позволяет весьма точно определить частоту VO-O'-
Правило зеркальной симметрии справедливо только для молекулярной флуоресценции (нормальной и замедленной). Для фосфоресценции, а также большинства видов рекомбинационной люминесценции оно не соблюдается.
5.4.	Интенсивность люминесценции и факторы, влияющие на нее
Из определения энергетического выхода люминесценции
1лк>м = Фэн1погл	(5.4.1)
Из закона Бугера-Ламберта-Бера (2.2.5, с. 14)
1погл = 1(г-1 = 1(>(1-10-е1с)	(5.4.2)
Таким образом,
1Люм = Фэн1о(1-10-Е1‘:)	(5.4.3)
Если е1с< < 1, то 10 >л1с~ I—2.303е]с и
1люм 2.303фэн1оЕ1с	(5.4.4)
Таким образом, на интенсивность люминесценции влияют следующие факторы.
Концентрация люминесцирующих частиц с. Характер этой зависимости подробно обсуждается в следующем разделе.
Длина волны возбуждающего света л, от которой зависит величина 8. Наибольшая интенсивность люминесценции достигается при облучении светом с ?. = Хтах — длиной волны в максимуме поглощения люминесцирующего вещества.
Интенсивность источника света 1о- В этом отличие люминесценции от абсорбционных методов анализа, в которых величина аналитического сигнала (оптическая плотность) не зависит от интенсивности источника.
Величина энергетического выхода фэн, которая, в свою очередь, зависит от многих факторов. Основные из них следующие.
Температура. С ростом температуры выходы люминесценции (как энергетический, так и квантовый) резко падают ввиду большей вероятности безызлучательной релаксации из-за столкновений молекул. Люминесценцию многих веществ можно наблюдать только при температуре жидкого азота. Особенно чувствительна к температуре интенсивность фосфоресценции; вероятность конкурирующей релаксации в этом случае особенно велика из-за долгого времени пребывания частицы в возбужденном триплетном состоянии. В случае атомной флуоресценции, происходящей при высокой температуре, выходы люминесценции крайне невелики. Поэтому для изучения атомной флуоресценции требуются особо мощные источники света.
Наличие посторонних компонентов. Люминесценция — процесс, крайне чувствительный к физико-химическому состоянию вещества. Взаимодействие излучающих частиц с посторонними компонентами, даже находящимися в малых концентрациях, может снизить выход люминесценции вплоть до полного ее исчезновения (примесное тушение люминесценции). Особенно эффективны как тушители частицы, имеющие неспаренные электроны, — например, молекулярный кислород. На эффекте примесного тушения основано много методик косвенного люминесцентного определения кислорода.
Концентрация люминесцирующих частиц также влияет на выход люминесценции по
34
тем же самым причинам. Обычно с ростом концентрации выходы люминесценции уменьшаются (концентрационное тушение).
5.5.	Зависимость интенсивности люминесценции от концентрации
Уравнение (5.4.4) показывает, что между интенсивностью люминесценции I и концентрацией с существует прямо пропорциональная связь. Однако на интенсивность люминесценции влияет множество факторов, приводящих к нарушению линейности этой зависимости. Основные из них следующие.
1.	Из характера допущений, сделанных при выводе соотношения (5.4.4), следует, что эта зависимость лишь приближенно линейная в области малых концентраций. Более строгое соотношение (5.4.3) можно считать практически линейным лишь при е!с< 0.01.
2.	Уравнение (5.4.3) и его предельный случай — (5.4.4) — справедливы лишь для бесконечно тонкого слоя люминесцирующей среды. При конечной толщине слоя интенсивность люминесценции, как и любого эмиссионного процесса, снижается вследствие самопоглощения (с. 24), а также эффекта внутреннего фильтра. Последний заключается в том, что эффективность возбуждающего излучения снижается по мере проникновения в толщу среды вследствие его поглощения.
3.	Как отмечалось выше (разд. 5.4), с ростом концентрации вещества происходит уменьшение выхода люминесценции — концентрационное тушение1) вследствие изменения физико-химической формы существования вещества (агрегация и т.д.).
Все указанные причины приводят к отрицательным отклонениям градуировочной характеристики от линейности. Заметим, что в люминесцентном методе немонохрома-тичность источника возбуждающего света не приводит к нарушению линейности градуировочной характеристики (в том диапазоне концентраций, в котором ее вообще можно считать линейной, т.е. где с достаточной точностью соблюдается соотношение (5.4.4)). Действительно, применяя схему рассуждений, изложенную в разд. 2.3, получаем:
1люм 2.303(фЭН11о1е14 фэн2^о2Ьз)(с	(5.5.4)
Эта зависимость является линейной относительно с.
5.6.	Метрологические характеристики люминесцентных методов
Нижняя граница определяемых содержаний. По чувствительности методы как молекулярной, так и атомной люминесценции на 2-4 порядка превосходят соответствующие абсорбционные (спектрофотометрию и атомную абсорбцию, по крайней мере в пламенном варианте). Нижние границы определяемых концентраций могут достигать Ю^-Ю^мкг/мл. Столь низкие величины связаны в первую очередь с прямым способом измерения аналитического сигнала в эмиссионных методах — в отличие от косвенного в абсорбционных (разд. 2.1). Непосредственно измерить малые значения интенсивности света не представляет особых проблем; для измерения же малых оптических плотностей требуется фактически измерить малую разность между двумя большими величинами интенсивностей световых потоков, что трудно сделать с высокой точностью. Фактор, снижающий чувствительность эмиссионных методов по сравнению с абсорбционными — малая заселенность возбужденных состояний (с. 26) — применительно к люминесцентным методам не играет роли, поскольку здесь аналитический сигнал формируют фактически те же самые частицы, что и в абсорбционных методах.
Поскольку интенсивность люминесценции пропорциональна интенсивности возбуждающего света (уравнения 5.4.3, 5.4.4), то важным резервом повышения чувствительности служит применение мощных источников возбуждения, в первую очередь лазеров
1’Иногда в литературе понятие "концентрационное тушение" включают все эффекты, приводящие к относительному снижению люминесценции с ростом концентрации (в том числе эффекты самопоглощения и внутреннего фильтра). Во избежание путаницы мы употребляем этот термин в узком смысле — только для обозначения эффекта снижения выхода люминесценции с ростом концентрации.
35
(особенно это касается атомной флуоресценции). При использовании таких источников пределы обнаружения (и нижние границы определяемых концентраций) лимитируются уже не величинами измеряемых сигналов, а стандартным отклонением сигнала контрольного опыта (уровнем шумов).
Верхняя граница определяемых содержаний в методах молекулярной люминесценции обычно невелика и лимитируется, в частности, эффектами концентрационного тушения. Диапазон определяемых содержаний редко превышает 1, максимум 2 порядка. В методе атомной флуоресценции диапазон определяемых содержаний существенно шире.
Воспроизводимость люминесцентных методов несколько ниже, чем соответствующих абсорбционных, в силу большого числа факторов, влияющих на величину аналитического сигнала. Для люминесцентных методов типичны величины sr-0.05-0.1.
Селективность молекулярных люминесцентных методов потенциально значительно выше, чем спектрофотометрии, поскольку число веществ, способных к люминесценции, относительно мало. В то же время эффект примесного тушения люминесценции является фактором, ограничивающим селективность. Однако этот эффект может быть использован И в аналитических целях для косвенного определения тушителей люминесценции (с. 33). В методе атомной флуоресценции селективность очень высока ввиду малой ширины атомных линий и простоты атомно-флуоресцентных спектров, практически исключающей возможность наложения линий.
5.7.	Аппаратура в люминесцентном анализе
Принципиальная схема прибора для измерения интенсивности люминесценции (флуориметра, спектрофлуориметра) приведена ниже.
Внешне приборы для изучения атомной и молекулярной (твердотельной) люминесценции разительно отличаются друг от друга: первые напоминают атомно-абсорбционные спектрометры, последние — спектрофотометры. Но несмотря на конструкционные различия, их принципиальная схема одна и та же.
Важнейшее требование к источникам света в люминесцентном анализе — высокая мощность (с. 33, 34). Особенно мощные источники используются в атомной флуоресценции — лампы с полым катодом повышенной мощности и — особенно в последнее время — лазеры (лазерная атомно-флуоресцентная спектроскопия, ЛАФС). Для изучения молекулярной люминесценции обычно используют лампы накаливания или разрядные лампы, дающие непрерывный или линейчатый спектр. Заметим, что в этом случае высокая мощность источника может привести к побочному эффекту — нагреванию образца и падению выхода люминесценции.
Поскольку в люминесцентном анализе высокая монохроматичность источника не требуется (с. 34), в качестве входного монохроматора обычно применяют подходящий светофильтр. При использовании источника линейчатого спектра часто обходятся вообще без входного монохроматора.
Кюветное отделение в молекулярных флуориметрах сходно с кюветным отделением
36
спектрофотометра. Отличие состоит в том, что во флуориметрах во избежание спектральных помех от источника света люминесцентное излучение, как правило, измеряют под прямым углом к падающему свету (что наглядно отражено на схеме, приведенной выше). Для изучения люминесценции при низких температурах (с. 33) кюветное отделение помещают в криостат.
В атомных флуориметрах в роли кюветного отделения выступает атомизатор. Используются атомизаторы тех же типов, что и в атомной абсорбции (разд. 3.2) — пламенные и электротермические (однако конструктивно атомизаторы в атомноабсорбционном и атомно-флуоресцентном анализе различаются). Дополнительной деталью атомного флуориметра (на схеме не показана) является модулятор излучения источника, позволяющий, как и в атомной абсорбции, скомпенсировать неселективное излучение фона (с. 19).
Выходные монохроматоры, детекторы и регистрирующие устройства используются тех же типов, что в методах спектрофотометрии и атомной абсорбции (разд. 2.5, 3.9).
37
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1.	Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М.: Мир, 1989. 608 с.
2.	Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии. Т. 2. М.: Мир, 1979. 438 с.
Дополнительная
3.	Спектроскопические методы определения следов элементов / Под ред. Дж. Вайнфорднера. М.: Мир, 1979. 494 с.
4.	Пиккеринг У.Ф. Современная аналитическая химия. М.: Химия, 1977. 559 с.
5.	Пешкова В.М., Громова М.И. Методы абсорбционной спектроскопии в аналитической химии. М.: Высшая школа, 1976. 279 с.
6.	Кузяков Ю.Я., Семененко К.А., Зоров Н.Б. Методы спектрального анализа. М.: МГУ, 1990. 213 с.
7.	Хавезов И., Цалев Д. Атомно-абсорбционный анализ. Л.: Химия, 1983. 144 с.
8.	Томпсон М., Уолш Д.Н. Руководство по спектрометрическому анализу с индуктивно связанной плазмой. М.: Недра, 1988. 287 с.
9.	Головина А.П., Левшин Л.В. Химический люминесцентный анализ неорганических веществ. М.: Химия, 1978. 245 с.
СОДЕРЖАНИЕ
1.	Введение в спектроскопические методы анализа	1
1.1.	Классификация спектроскопических методов анализа	1
1.2.	Электромагнитная энергия и связанные с ней величины	1
1.3.	Области энергий электромагнитного излучения
и их использование в спектроскопических методах анализа	2
1.4.	Электромагнитный спектр	2
1.5.	Спектр альная линия	4
1.6.	Причины уширения спектральных линий	5
1.7.	Линейчатые, полосатые и непрерывные спектры	5
1.8.	Использование спектров в аналитической химии	7
1.9.	Спектральные и физико-химические помехи в
спектроскопических методах анализа	7
2.	Спектрофотометрический метод анализа	8
2.1.	Общая характеристика метода	8
2.2.	Важнейшие законы светопоглощения	8
2.3.	Причины отклонений от закона Бера в спектрофотометрии	9
2.4.	Метрологические характеристики спектрофотометрического метода	11
2.5.	Аппаратура в спектрофотометрии	13
3.	Атомно-абсорбционный метод анализа	15
3.1.	Общая характеристика метода	15
3.2.	Атомизаторы в атомной абсорбции	15
3.3.	Основной закон светопоглощения в атомной абсорбции	16
3.4.	Источники излучения в атомной абсорбции	16
38
3.5.	Причины отклонений от закона Бера в атомной абсорбции	17
3.6.	Физико-химические помехи в атомной абсорбции	18
3.7.	Спектральные помехи в атомной абсорбции	19
3.8.	Метрологические характеристики атомно-абсорбционного метода	20
3.9.	Аппаратура в атомно-абсорбционном анализе	21
4.	Атомно-эмиссионный метод анализа	22
4.1.	Общая характеристика метода	22
4.2.	Атомизаторы в атомной эмиссии	23
4.3.	Основной закон атомной эмиссии	24
4.4.	Физико-химические помехи в атомной эмиссии	25
4.5.	Спектральные помехи в атомной эмиссии	26
4.6.	Метрологические характеристики атомно-эмиссионного метода	26
4.7.	Аппаратура в атомно-эмиссионном анализе	28
5.	Люминесцентные методы анализа	28
5.1.	Общая характеристика методов	28
5.2.	Сущность явления люминесценции	29
5.3.	Соотношения между спектрами люминесценции и поглощения	32
5.4.	Интенсивность люминесценции и факторы, влияющие на нее	33
5.5.	Зависимость интенсивности люминесценции от концентрации	34
5.6.	Метрологические характеристики люминесцентных методов	34
5.7.	Аппаратура в люминесцентном анализе	35