Спектроскопия

Без аналитических данных не обойтись, если физические, химические или биологические свойства материальных систем неорганической или органической природы, которые мы хотели бы понять, использовать или изменить, зависят от содержания компонентов данных систем. В равной мере это относится ко всем аспектам нашего материального мира и ко многим связанным с ним областям науки и техники, которые могут перемежаться и пересекаться друг с другом. Вещественная сфера простирается от горных пород, минерального и органического сырья, водных систем, атмосферы, почвы, растительного и животного мира до объектов наших материальных потребностей.

Прежде всего для распознавания примесей, способных изменять свойства загрязненных ими химических веществ, требуется предельно высокая способность к обнаружению при достаточной надежности информации, затраты на получение которой, конечно, не должны быть чрезмерными. Итак, три важнейших критерия оценки аналитического метода — чувствительность, правильность и стоимость — теснейшим образом связаны друг с другом [1.1]. Аналитическая работа стоит немалых денег, и затраты на проведение анализов в значительной мере зависят от поставленных вопросов, используемых методов, достоверности показаний, сложности обработки и общего объема работы. Рутинные лабораторные анализы безусловно обойдутся дешевле решения сложных аналитических задач, но это не причина отказываться от перспективных планов. В ситуации демпинговой политики в отношении персонала и стремления к снижению стоимости анализов особенно страдают аналитические лаборатории с низким уровнем специализации. Поскольку лабораторные анализы с применением методов по нормам DIN (Промышленный стандарт Германии) или DEV (Немецкие стандартные способы исследования воды) осуществляются порой силами не обладающих специальными знаниями сотрудников, то не стоит удивляться, имея на выходе весьма сомнительные результаты. Если мы хотим не просто предъявить некие данные, так сказать, для проформы, но выполнить именно «правильные» анализы, нам следует работу на всех этапах - от взятия проб и до оценки результата - поручить квалифицированным специалистам.

Сегодня область применения аналитических методов расширяется поразительно быстрыми темпами. В технологии это были сначала только полупроводники и чистые вещества, позднее оптические волноводы и сверхпроводники, а теперь еще и высокотемпературная керамика — словом, все то, что требует наилучшей обнаружительной способности [1.2]. Возможность получать изделия воспроизводимого качества является одним из важнейших условий современного производства. Используемые ныне методы анализа приобретают все более сложное инструментальное оснащение, что значительно расширяет их перспективы.

Многообразию методов, предлагаемых пользователю в области аналитической химии, соответствует многообразие сфер их применения — от научных дисциплин, таких как химия, физика, биология и медицина, и до множества технологических отраслей. Взаимодействие между методической стороной аналитики и ориентированными на конкретное применение интересами пользователей открывает пути для инноваций в аналитической химии, причем та или иная цель задается, в частности, стремлением к высокой чувствительности обнаружения, максимальной надежности и наиболее благоприятному соотношению цены и качества при использовании определенных аналитических методов. В общем и целом можно отметить, что в сфере инструментальной аналитики еще никогда не удавалось измерять такой объем компонентов за столь короткое время, как это делается в настоящее время. Человеческий фактор уже на этапе взятия проб, их подготовки и дозировки с лихвой компенсируется автоматизацией и поддержкой со стороны робототехники, а выполняющее функции экспертной системы программное обеспечение оказывает помощь при оценке результатов измерений [1.3].

В деле решения текущих вопросов, касающихся характеристики веществ и материалов в зависимости от поставленной аналитической задачи, разработка новых способов на основе уже внедренной методики столь же необходима, как и совершенствование самих методов, когда методические предпосылки для решения возникающих проблем еще только предстоит создать. В области развития элементной аналитики методы следовых анализов, как и прежде, остаются в высшей степени актуальными, причем особые требования выдвигаются в отношении надежности определения на все более сложных матрицах [1.4]. Это касается самых разных областей применения — от создания новых веществ [1.5] и до традиционных отраслей биологии и медицины. В рамках производственного процесса аналитика повсеместно используется в самых разных формах. Здесь за основу берутся четыре базовых понятия: получение активных веществ, безопасность выполняемых операций, обеспечение качества и защита окружающей среды.

Но что развивает наше общество сильнее, чем даже инновационные технологии, без которых не обойтись хотя бы в силу быстрого прироста мирового населения? Это, безусловно, все возрастающая опасность для окружающей среды и в конечном счете для здоровья и жизни человека [1.6]. К сожалению, в современном индустриальном мире далеко не все осознают, что без аналитической химии едва ли удастся требуемым образом оптимизировать технологии и минимизировать связанные с ними риски. Таким образом, аналитика из разряда первоначально вспомогательной дисциплины, стоящей на службе химической промышленности, вырастает до уровня всесторонне востребованной самостоятельной отрасли, так что уже не будет большим преувеличением говорить о создании как таковой аналитической науки (analytical science).

Многие стоящие перед химиками цели и задачи можно свести к одной простой формулировке: требуется находить и создавать полезные для человека вещества, применяемые как биокатализаторы в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве, а также как материал для всех уже известных или еще стоящих на пороге открытия областей [1.7]. Печальный факт: Германия на протяжении нескольких последних лет отстает в этом вопросе от Японии и США. Не стоит забывать, что упущения на уровне исследований ослабляют экономическое положение страны на мировом рынке. Справедливости ради следует отметить, что в области экологически чистых технологий, ставших в наши дни решающим фактором конкуренции, Германия занимает ведущее положение в мире [1.8].

Поиск подходящих активных веществ люди вели еще в доисторические времена. Занимаясь поиском пиши, они учились различать съедобные и ядовитые дары природы, в ходе собственных наблюдений отмечали целебное действие некоторых трав и т.д. На основе народной медицины проводились и первые воспроизводимые опыты по использованию природных соединений в терапии.

В то время как воздействие того или иного вещества на биологическую систему — будь то человек, животное или растение — в силу комплексности процессов сегодня еще не всегда понятно и требует тщательного изучения специалистами самых разных направлений, первые необходимые для жизни человека материалы были найдены или созданы им уже на ранней стадии развития. В качестве примера можно назвать металлы, керамику и стекло, а открытие бронзы и железа стало началом целых культурных эпох. Ранее человек опытным путем учился добывать вещества со специальными свойствами и особого качества. Он пытался их формовать, закалять или окрашивать.

С учетом этого доисторического опыта развивалась затем современная наука, а именно на основе анализа и синтеза. Разные методы анализа учили нас понимать состав, чистоту, структуру и качество поверхности. Благодаря взаимодействию анализа и синтеза удавалось распознавать определенные свойства и структуры и затем сознательно придавать отдельным веществам специальные признаки. Сейчас полным ходом идет процесс создания новых перспективных материалов с особыми механическими, тепловыми, электрическими и магнитными свойствами.

Хотя работы, направленные на получение новых активных веществ и иных материалов, могут в корне отличаться друг от друга, в любом случае трудно не согласиться с тем, что исследования во всех названных областях становятся все более целенаправленными и ведутся скорее на основе умозаключений и реже — эмпирическим путем. Знание отношений между структурой и действием, а также между строением и свойствами все чаще позволяет решать проблемы на молекулярном уровне. При поддержке эффективной аналитики подобные разработки могут способствовать решению многих проблем с принятием во внимание всех необходимых аспектов — удобства и простоты в обращении, совместимости с окружающей средой и экономии ресурсов.

Использование весов при проведении химических экспериментов, чем мы обязаны А.Л. Лавуазье (1743—1794 гг.), положило начало эпохе так называемой современной химии. Р.В. Бунзен (1811 — 1899 гг.) и Р. Фрезениус (1818—1897 гг.) считаются основателями аналитической химии в Германии. Бунзен уже в середине XIX века проводил фундаментальные исследования химических процессов, проходящих в доменных печах. Одним из замечательных результатов его деятельности стала возможность заметного снижения удельного расхода топлива. Профессор Фрезениус открыл в 1848 г. в Висбадене частную учебную лабораторию, объединив под одной крышей исследовательскую работу, учебные занятия и прикладную химию. В центре активной работы этого учреждения находились прежде всего проведение анализов воды, исследование технических изделий и минералов, определение качества сахара и алкоголя, обнаружение неорганических компонентов в растениях, анализ почв и удобрений, а также изучение атмосферного воздуха [1.9].

В. Оствальд (1853—1932 гг.) в 1894 г. издал в Лейпциге книгу под названием «Научные основы аналитической химии», отказываясь тем самым от привычного тогда представления об аналитической химии как о некоем вспомогательном предмете. За свои основополагающие работы по изучению катализа Оствальд получил в 1909 г. Нобелевскую премию в области химии. Далее последовали достижения Вант-Гоффа (1852—1911 гг.), З.А. Аррениуса (Нобелевская премия по химии в 1903 г.) и В.Г. Нернста (Нобелевская премия по химии в 1920 г.). Эта классическая эпоха аналитической химии протекала преимущественно под знаком химических реакций, объединенных в целях достижения аналитического разделения, что в своей основе превосходно оправдывало себя в прикладной аналитике на протяжении многих десятилетий.

Открытие новых химических элементов было мощнейшим импульсом для творческого подъема среди химиков, причем разработка каждого нового способа анализа влекла за собой дальнейшие открытия. Если элемент германий был открыт в 1886 г. уже известным к тому времени методом химического осаждения, то выделение для щелочных металлов рубидия и цезия в минеральных водах Р. Бунзену совместно с физиком Кирхгоффом (1824—1887 гг.) удалось разработать в 1861 г. с помощью эмиссионного спектрального анализа. При химическом разделении прослеживались важнейшие спектральные линии обоих металлов, а после каждого выполненного разделения продолжалось отслеживание той их части, где линии оказывались наиболее интенсивными. Позднее на основе эмиссионного спектрального анализа были открыты: таллий (1861 г.), индий (1863 г.), галлий (1875 г.) [1.10].

В качестве другого примера можно упомянуть развитие радиохимических методов, которые привели мадам Кюри в 1898 г. к обнаружению радия и полония. За открытие этих элементов, а также их описание и исследование с указанием эффективного выделения Мария Кюри получила в 1911 г. Нобелевскую премию в области химии. Далее последовали успехи других ученых: в 1922 г. был найден гафний, а в 1925 г. — рений как последний из отсутствующих в периодической системе естественных элементов, причем достигнуто это было именно на основе только что внедренного в практику рентгеноспектрального анализа.

С расцветом химической промышленности на эту положительную фазу, связанную с накоплением новых знаний (открытие не известных ранее элементов, создание теории атомов, теории газов, закона действия масс, изучение стехиометрии, процесса расщепления ядра и др.), накладывалась и отрицательная, где в значительной мере девальвировалась научная сторона аналитической химии. Последняя использовалась в основном только для стандартного контроля продуктов синтеза, в ходе которого эти продукты приходилось вновь подвергать разложению, привлекая дополнительные средства.

Для характеристики органических продуктов синтеза на протяжении достаточно долгого времени предлагался исключительно анализ органических элементов в качестве единственного аналитического принципа. Таковой был разработан Ю. фон Либихом в 1837 г., а позднее усовершенствован сначала Ф. Преглом в 1920-е годы, затем к этому процессу подключились и многие другие микроаналитики. За развитие микроанализа органических веществ Прегл получил в 1923 г. Нобелевскую премию по химии. Если во времена Либиха использовались еще пробы весом до грамма, то теперь их вес был снижен до нескольких миллиграммов. Это не только позволило сократить продолжительность анализов, но и дало возможность проводить элементные анализы дорогостоящих природных соединений. Предпринимались многократные попытки сократить навески проб до нижнего мкг-диапазона, однако эти довольно затратные методы позднее были заменены масс-спектрометрией.

Вообще, 1920—1930-е годы были периодом развития классического микроанализа. При этом в качественном анализе предпочтение отдавали исследованиям с помощью паяльной трубки и микрокристаллическим реакциям, которые были не только в своем роде эстетичными, но и чрезвычайно чувствительными и более надежными, чем ранее популярные цветовые и капельные реакции. Но в 1950—1960-е годы работы по развитию и совершенствованию приемов в методах микроисследований начали сворачиваться по причине сложившегося к тому времени весьма отрицательного отношения общественности к аналитической химии в целом.

В гораздо более благожелательной обстановке, чем это было в случае с химической промышленностью, развивалась в 1950-е годы элементная аналитика в геохимии и металлургии. Здесь значительно раньше, чем в других отраслях, была осознана ее незаменимость в деле оптимизации свойств продукции (например, сплавов и сталей), а также при получении новых знаний о строении земной коры, что ускорило добычу содержащихся в недрах Земли сырьевых ресурсов. Была сделана ставка на спектральный анализ Бунзена с привлечением множества последующих стимулов, способствующих развитию современной инструментальной аналитики. Однако, несмотря на уже начавшееся активное внедрение физических методов анализа — спектроскопии, — химическая аналитика по сей день остается в первую очередь той областью химии, открытия в которой нередко делаются, так сказать, «на кончике пера», ибо только глубокое знание веществ и материалов способно создать прочную базу для собственно аналитической химии.

Прямые инструментальные приемы являются в основном физическими относительными методами, где аналитические измеряемые величины отличаются от результатов в классической аналитической химии (пример: масса осадка), представляя собой электрические параметры, обусловленные, допустим, пучками электронов, фотонов, нейтронов и ионов. Искомая концентрация или, соответственно, определяемое абсолютное количество элемента либо соединения становятся, таким образом, функцией соответствующей калибровки оборудования.

При условии правильно выполненной калибровки приборной техники преимущества инструментальной аналитики состоят, во-первых, в возможности регистрировать очень малые (следовые) концентрации (вплоть до нижнего микродиапазона),

Большую часть сведений о строении материи получают на основе экспериментов, в ходе которых свет — или, как обычно говорят, излучение — и материя вступают в определенное взаимодействие. Со времени первого практического спектрального анализа, проведенного Бунзеном и Кирхгоффом, основанная на взаимодействии между излучением и материей спектроскопия с ее огромным многообразием методов превратилась в важнейшее вспомогательное средство современной аналитики. Это можно объяснить как прогрессом в области совершенствования оборудования, так и фундаментальными теоретическими трудами, успех которых был бы невозможен без — открывающих новые пути — познаний в области квантовой механики.

Известно, что свет имеет двойственную природу — волновую и корпускулярную, и для его описания используются характеристики двух видов: волновые и квантовые.

Одни физические явления, вызванные взаимодействием света и материи, могут быть описаны с помощью волновой природы света, другие — только на основе корпускулярной теории. Видимый свет является примером электромагнитного излучения. В качестве других примеров можно назвать: рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение и инфракрасное излучение. Все эти виды излучения имеют нечто общее: их можно регистрировать в виде электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света и отличающихся только частотой.

Развитие классической спектроскопии и применение абсолютно новых принципов в спектральной аналитике стали основными причинами повышения роли спектроскопии в наше время. Она обладает столь мощными информационными возможностями, что можно смело утверждать: современная атомная и молекулярная спектрометрия способна дать ответ практически на любой осмысленный вопрос из области аналитики. Еще 30 лет назад спектры УФ-излучения и комбинационного рассеяния света регистрировались с помощью фотопластинок, а спектры И К-излучения точка за точкой записывались гальванометром, причем оснащенные трубками аналоговычислительные усилители считались вершиной конструкторской мысли, а спектрограммы составлялись путем механической сортировки перфокарт.

Суть любого контроля качества — это вопрос идентичности. Для практической работы контрольной лаборатории требуются измерительно-технические способы, обеспечивающие квантуемые и воспроизводимые параметры. Определенная измерительная техника всегда может отобразить лишь часть всех свойств продукта и в идеале должна выборочно регистрировать признаки, указывающие на то или иное качество. К простому измерению относится определение температур плавления и кипения, показателя преломления или вязкости. Если же речь идет о химических различиях, селективности таких способов оказывается явно недостаточно. С другой стороны, химические анализы, производимые известным «мокрым способом», нередко занимают слишком много времени, особенно если требуется получить количественные показатели.

Итак, запомним: спектроскопия есть наука о взаимодействии между светом и материей.

Внедрение спектроскопии в сферу аналитики послужило мощным стимулом для ее развития и совершенствования. Одномерные способы анализа дают для каждого вещества всего одну измеряемую величину (температуру плавления, время запаздывания и т.д.). Методы спектроскопии представляют собой как минимум двухмерные способы анализа, дающие для вещества в каждом разрешимом диапазоне длин волн (или масс) спектра хотя бы одно значение интенсивности. Поэтому информативность спектроскопии достаточно велика для того, чтобы ответить практически на любой вопрос из области аналитики. Это, собственно, одна из причин успешного развития спектроскопических методов анализа.

Спектроскопия по определению занимается описанием атомов, ионов, радикалов и молекул на основе регистрации и расшифровки их спектров, получаемых с помощью различных измерительных устройств, среди которых можно назвать: атомно-абсорбционный спектрометр, атомно-эмиссионный спектрометр или спектрофотометр. Спектроскопические приборы состоят, как правило, из трех основных узлов: источника излучения, устройства для спектрального разложения и детектора для измерения излучения.

Практическая спектроскопия очень скоро начала развиваться в двух направлениях, разделившись на атомную и молекулярную. Аналитические методики использовали для этой цели переходы в схемах энергетических уровней молекул и атомов с квантами излучения (фотонами) из участков спектра от рентгеновского излучения до ультракоротких волн. При атомной спектроскопии речь идет о качественном и количественном определении элементов в разных веществах и областях концентраций. Сюда относятся, например, способы атомной абсорбции, атомной эмиссии и рентгеновской флуоресценции. Методы молекулярной спектроскопии на основе УФ/видимой, ИК-областей спектра, комбинационного рассеяния и ЯМР (ядерный магнитный резонанс) позволяют сделать вывод о связях и структуре молекул. Характеристические полосы или комбинации полос спектра могут стать свидетельством того или иного качества, равно как и основой для определения отдельных компонентов.

К общему понятию «спектроскопия» относят также методы масс-спектрометрии и электронной спектрометрии. Хотя, строго говоря, масс-спектрометрия не является методом, основанным на взаимодействии между электромагнитным излучением и материей, а есть метод разделения.

Многообразие предлагаемых методов позволяет получить ответы на весьма специфические вопросы, для чего можно взять на вооружение: микро- и следовый анализ, анализ поверхности, исследование тонкой структуры комплексных систем и аналитику реактивных систем. Многие спектроскопические способы действуют недеструкционно, то есть без разрушения образца, что позволяет многократно и по-разному исследовать одну и ту же пробу, которая и после этого вполне еще может быть пригодна для дальнейшего изучения. Это особенно удобно, например, в случае анализа произведений искусства или при конечном контроле качества готовых изделий. Но особенно важным представляется то обстоятельство, что многие спектроскопические способы могут быть реализованы непосредственно на месте нахождения подлежащего исследованию образца, а результат анализа выдается в реальном времени, что позволяет своевременно вмешаться в процесс, осуществляя требуемые регулировки, либо вообще прервать работу в связи с аварийной ситуацией и т.п.

Сегодня представляется излишним говорить о значении физико-химических методов анализа, которые стали повседневным делом каждой современной химико-аналитической лаборатории. С помощью спектроскопических методов удается решать, в частности, следующие задачи:

Благодаря многообразию возможностей применения, высокой точности результатов и замечательной чувствительности обнаружения, не говоря уже о существенном сокращении времени на проведение анализов, спектроскопические методы достигли высшей степени экономической эффективности. Без них сегодня не произвести ни одной тонны стали, не создать ни одного электронного блока. Существуют законодательно установленные требования в отношении качества продуктов питания, а также таких жизненно важных материй, как вода и воздух, и, наконец, лекарственных препаратов разного рода, и эти требования подлежат строгому выполнению. С помощью спектроскопических методов удается держать под контролем и побочные продукты человеческой деятельности: мусор, отработанный воздух и сточные воды. Исследование экономических основ в широком смысле — от биохимии до астрономии — немыслимо без современных спектроскопических методов анализа.

В настоящее время в области инструментальной аналитики все чаще находят применение компьютеры, благодаря чему само оборудование становится удобнее и проще в обслуживании, а обработка результатов возможна в любой форме. В этих условиях оператору в принципе достаточно иметь лишь общее представление о сути анализа, а иногда он может вообще ничего не знать о нем. Однако при этом не стоит забывать (и здесь кроется главная опасность!), что надежность того или иного прибора всегда зависит от точности его калибровки, и, следовательно, необходимо постоянно и скрупулезно проверять получаемые результаты. Аналитическое устройство не должно становиться своеобразным «черным ящиком», а вычисленные показатели ни в коем случае нельзя слепо доверять компьютеру, поскольку тот способен лишь обработать результаты выполненного анализа. Но «правильный» анализ во многом зависит от тщательности отбора проб, их подготовки и обеспечения соответствующих условий работы.

Практически все используемые в спектроскопии приборы содержат — часто в модульном исполнении — системы для взятия проб и возбуждения аналитического сигнала. Далее вступает в действие спектрометр для создания спектра в интересующем интервале длин волн и выделения специфичного для данного вещества сигнала; затем наступает очередь детекторной системы для регистрации измерительного сигнала и, наконец, задело принимается устройство для обработки данных измерения. Важная роль отводится и системе управления всеми процессами измерения с поддержкой вычислительных машин. В последние годы в этой области особой популярностью пользуются персональные компьютеры. Наряду с внедрением высокопроизводительных ПК, развитию многих новых методов анализа эффективно способствовало появление таких конструкционных узлов, как лазерные источники излучения и волоконные световоды.

Сегодня автоматизированы многие трудоемкие операции (взятие проб, их подготовка, размещение в устройстве), а световые волокна дают возможность исследовать образцы, которые находятся за пределами спектрометра либо относятся к опасному, чувствительному или весьма ценному материалу. Предполагается, что в будущем многие анализы, выполняемые сегодня еще по методу Либиха (отбор проб, транспортировка их в лабораторию, проведение собственно анализа, обработка результатов), будут осуществляться в реальном времени прямо на рабочем месте либо с применением миниатюрных специализированных спектрометров или оптических волноводов, соединяющих разные пункты взятия проб с центральным спектрометром.

Целью настоящего издания является обсуждение проблем спектроскопии, но не стоит рассматривать эту книгу как пособие для спектроскописта. Она обращена, прежде всего, к занятым в промышленном производстве химикам-практикам и инженерам, использующим спектроскопические исследования в качестве вспомогательного средства при решении разного рода химических задач. Изложенное выше введение призвано дать обзор существующих спектроскопических методов и побудить названную целевую группу активнее привлекать эти методы в своей собственной работе.

Понятно, что расстояние от Штутгарта до Красной площади в Москве не покроешь за два прыжка: между ними протянулась воздушная линия длиной в 2000 км. Два миллиметра этого пути составляют 1 ppb (миллиардная доля), что соответствует одной миллиардной части всей трассы. Уже в данном случае — при наличии числа «всего» с девятью нулями — наступает предел человеческому воображению. Способность человека представить определенный размер или число связана скорее с его повседневной жизнью: каждому понятно, например, какова тяжесть одного килограмма. Ни одному человеку не составит труда показать руками примерную длину в один метр. И любой знает, сколько длится один час, особенно если его приходится провести в томительном ожидании. Но вот при упоминании тысячи тонн, сотой доли миллиметра и 4000 лет человек уже чувствует границу, за которой его воображение бессильно, а уж число световых лет, количество наносекунд и частей на миллиард заставит его разум полностью капитулировать.

В былые времена столь редкими единицами измерения оперировали исключительно естествоиспытатели. Но сейчас подобное обозначение можно встретить во всех средствах массовой информации, когда сообщается, скажем, о мощности электростанции (мегаватт), об открытии нового гормона (микрограммов) или о загрязнении грунтовых вод (частей на миллиард).

Современная аналитика занимается, так сказать, «миром после запятой». За последние два десятилетия ни одна наука не достигла столь впечатляющих успехов, как аналитика — наука обнаружения веществ и определения их концентраций. Если более 40 лет назад количество любого вещества до десятой части промилле приходилось считать равным «нулю», то сегодня мы вполне можем обнаружить всего одну миллиардную часть грамма. Таким образом, данная наука способна определять количества на уровне следов, что абсолютно не поддается человеческому воображению, и этот успех придал совершенно новое измерение, в частности, обсуждению проблем зашиты окружающей среды. Практически уже можно попытаться обнаружить нечто, обозначаемое ранее как «ничто». Это касается в том числе и упомянутых выше следовых остатков в почве, воде, воздухе и, наконец, в продуктах питания.

Строго говоря, «нулевого остатка» вообще не бывает, но аналитика обнаруживает еще и следы каких-то следов. Нуль, таким образом, остается теоретической величиной, к которой можно приблизиться, но никогда нельзя достигнуть. Рисунок 1.2 наглядно демонстрирует величины концентрации на уровне ультраследов. Самым чистым веществом, какое сегодня можно изготовить, является кремний. Даже при использовании способа зонного плавления удается в лучшем случае получить чистоту порядка 10⁹ примесных атомов на см³. Если упрощенно принять 10²³ атомов на см³, это соответствует загрязнению, равному примерно 10¹⁴ атомов, или 0,01 ppt (триллионная доля).

Но высокая эффективность аналитики имеет и свои подводные камни: вновь и вновь приходится сталкиваться с ситуациями, когда из результатов анализа делаются ошибочные выводы, поскольку обращение с «крошечными» размерами требует строгого соблюдения множества граничных условий. Все мы являемся в некотором смысле заложниками аналитики, оставляя без ответа вопрос: какую же концентрацию «подозрительного» вещества все-таки считать опасной? Здесь наука просто ставит нас в тупик. Политики уходят от ответа, возросшая чувствительность методов обнаружения будоражит общественность.

Благодаря чрезвычайной чувствительности современной аналитики мы можем обнаружить в почве, в воде, в воздухе и в наших продуктах питания гораздо больше веществ, и среди них будут те, о которых мы ранее даже не подозревали, ибо не располагали необходимым оборудованием.

Многие из этих веществ присутствуют лишь в виде едва различимых следов, лежащих много ниже своего порога токсичности. Кроме того, в случае большинства следовых концентраций мы ничего не знаем о токсикологической или экологической релевантности, то есть оценка результатов определенно отстает от прогресса в области самой следовой аналитики. Также и при обсуждении допустимых нагрузок на окружающую среду все чаще используются такие понятия, как ppm (миллионная доля), ppb (миллиардная доля), ppt (триллионная доля), а с недавнего времени даже ppq (квадрильонная доля), в отсутствие четкого представления о фактическом объеме обозначенных такими единицами «загрязнений» либо о добротности полученных результатов анализа.

Пожалуй, трудно найти наглядные примеры для такого рода величин. Впрочем, одна часть на тысячу других, то есть промилле, нам еще знакома — прежде всего, по опыту проверки содержания алкоголя в крови у водителей автотранспорта. Что касается ppm, то здесь можно в шутку представить одного жителя Пруссии (пруссака) в миллионном городе Мюнхене, то есть 1 P(reuse) p(ro) M(ünchen) — «один пруссак на Мюнхен», а вот с ppb дело обстоит гораздо сложнее, так как эта единица будет означать 5 человек на все население Земного шара, если принять таковое за 5 миллиардов. Следующий (в сторону уменьшения) размер — ppt — мог бы продемонстрировать факт засорения 100 000 тонн пшеницы в товарном составе длиной 20 км одним-единственным зернышком ржи или — в пересчете на меру длины — отобразить «отрезок» в 0,4 миллиметра на пути от Земли до Луны. …​Вряд ли стоит продолжать. Далее любая попытка привести наглядный пример просто потерпит крах.

При подобных порядках величины уже никого не удивляет, что в настоящее время некие субстанции обнаруживаются даже там, где этого никто не предполагал. Люди снова и снова слышат и читают о таких «находках», однако это не означает, что найденных сейчас веществ ранее здесь не было, — просто прежде их не удавалось обнаружить. Этот нюанс нередко остается за рамками общественных дискуссий. Решения о вреде или пользе, о степени опасности, о необходимости выработки адекватных мер принимаются не на основе того факта, что какое-то вещество вообще обнаруживается. В значительно большей степени это зависит от измеренного объема данного вещества и от степени вероятности нашего с ним контакта. Лишь та доза, которую человек действительно поглошает, имеет значение при рассмотрении воздействия на его организм того или иного материала [1.11]. Еще почти 500 лет назад врач ТБ. фон Хоэнгейм, известный под именем Парацельзуса, констатировал: «Ничто, поглощенное в избыточном количестве, абсолютно безвредно».

Тем не менее, если оставить в стороне иронию, именно сверхточные результаты измерения в современной химической аналитике используются ныне как оружие против самой химии и ее так называемых ядов. И все же аналитика с ее современным техническим оснащением сумела обеспечить ученым подходы к тем сферам, которые долгое время оставались для них недосягаемыми. Достаточно упомянуть хотя бы значение «следовых элементов» в нашей повседневной жизни. В слишком высокой концентрации они действуют как токсины, в точно выверенном объеме признаются порой даже полезными, а при недостатке способны вызвать синдром дефицита.

Для получения надежных результатов требуется самая тщательная подготовка и правильное проведение анализа, что особенно справедливо в отношении измерений следов тех или иных веществ. Эти требования касаются не только процесса взятия проб, их хранения и подготовки, но также оснащения лаборатории, квалификации (и поведения) персонала, выполняющего определенные операции. Если, например, вы позволяете себе курить в лаборатории, то не стоит удивляться, обнаружив повышенное содержание кадмия в исследуемом веществе; попытка же измерить на вощеном лабораторном столе содержание углерода в количестве менее миллиграмма на литр будет по понятным причинам обречена на провал, а что уж говорить об определении следов металла в пробах воды, взятых металлическим ведром!

Еще более проблематична ситуация, когда абсолютно необоснованно считают, что действие следов веществ соотносится с их концентрацией. Это объясняется, вероятно, тем, что мы еще со времен Ньютона и Декарта привыкли обобщать и экстраполировать на основе нашего привычного линейного представления о нераздельности причины и действия. Сегодня приходится отказываться от устаревших способов мышления, в том числе и в материальной сфере. Экстраполяции и обобщения, вполне уместные при определении достаточно высоких концентраций, оказываются абсолютно недопустимыми в случае очень низкого содержания вещества. Нам придется научиться мыслить более многослойно и комплексно. Все чаще мы вынуждены, наряду со столь удобными решениями типа «или-или», допускать и решения на уровне «как …​, так и …​», если мы хотим соответствовать реалиям нашего сложного мира.

Понятия «правильно» и «неправильно» можно однозначно применять, пожалуй, только в сфере качественной аналитики. Однако с точки зрения количественной аналитики эти определения в некоторых областях вообще неприемлемы. Обычно количественный анализ считается правильным, если он может быть воспроизведен в диапазоне статистически установленных границ погрешности. И при этом уже вообще никакой роли не играет тот факт, что полученный результат может оказаться безнадежно ошибочным. Это означает, что в сфере количественного анализа к понятиям «правильность» и «неправильность» приходится добавлять еще третье понятие — сравнимость, или сопоставимость, результатов.

Количественный анализ считается правильным, если в области заданной статистической достоверности от раза к разу получают одинаковые результаты анализа. Стандарты калибровки приборов, как правило, тщательно изучаются и служат мерой всех вещей. Но если иной стандарт не подходит, аналитики вынуждены находить сопоставимые параметры. Следовательно, анализ классифицируется как «правильный», поскольку ни один аналитик не работает подругой методике и другим стандартам. Значит, возможности получать правильные, неправильные либо сопоставимые результаты в области количественной аналитики устанавливаются иногда просто волевым решением.

Аналитические определения применительно к объектам окружающей среды в последние годы привлекают все более пристальное внимание общественности. Неуклонно продолжается внедрение высоких технологий в этой области. Германия в Европе и Япония в азиатском регионе занимают ныне ведущие позиции в деле изучения и защиты окружающей среды, производства экологически чистых продуктов и развития эффективных и безопасных способов утилизации бытовых и производственных отходов. На долю национальных проектов по глобальной защите окружающей среды приходится в Германии около 65%, а в Японии почти 80% всех научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в секторе частной экономики [1.21].

Законодательные акты по вопросам экологической защиты ориентируются преимущественно на производственные мощности отрасли аналитической химии. Европейский спрос (в частности, со стороны бывшей ГДР) на лабораторную аналитику в будущем будет только расти. Причина заключается в безусловной необходимости осуществления надзора за состоянием природных и промышленных объектов, обеспечения контроля качества производимой продукции и проверки разрабатываемой документации по общезначимым проектам и планам [1.22].

На данный момент у населения сформировалось достаточно противоречивое отношение ко всему, что связано с химией. Так, всю химическую продукцию не совсем справедливо сделали ответственной за большую часть проблем, касающихся окружающей среды: чуть что, сразу вспоминают диоксины, средства защиты растений и т.п., забывая при этом о многих чрезвычайно полезных изделиях химического производства, используемых, например, в медицине [1.23]. Иначе обстоит дело с аналитической химией, к которой общество относится гораздо благосклоннее. Любопытно, однако, что в глазах широких масс населения столь многогранная вещь, как аналитическая химия, была сведена преимущественно к задачам экологической защиты во всех ее формах. Впрочем, за прошедшие годы удалось вывести тему окружающей среды из «экологической ниши», поместив в центр внимания общественности более широкомасштабные проблемы. Все чаше граждане требуют от аналитиков ответа на волнующие их вопросы касательно наличия или отсутствия вредных либо даже токсичных веществ в окружающей среде, что сопровождается обоснованным или необоснованным страхом за свое здоровье в связи с опасным воздействием тех или иных элементов. Как бы ни относились к такому положению дел сами аналитики, они в равной мере принадлежат и к тем, кто виновен в подобной ситуации, и к тем, кто извлекает из нее немалую выгоду.

Сформированы были эти условия, кроме прочего, бурным развитием инструментальной аналитики в последние годы, что позволило многократно расширить спектр анализируемых веществ и материалов и продвинуть пределы обнаружения в область гомеопатических концентраций. Эта тенденция еще не исчерпала себя. К радости приборостроителей, она приводит к тому, что техническое оснащение лабораторий приходится приспосабливать к последнему уровню техники, причем по возможности в самые короткие сроки, что очевидно было бы немыслимо без соответствующего увеличения капиталовложений. То же касается, впрочем, и некоторых ноу-хау, которые в определенной степени даже обгоняют процессы инновационного оснащения лабораторий контрольно-измерительной аппаратурой.

Взаимодействие аналитики объектов окружающей среды и правовых норм представляется бесспорным, если прорыв в область нано- и пикограмм-единиц не считать самоцелью. Высокая значимость результатов аналитической химии побудила к внесению соответствующих изменений в будущее законодательство. Таким образом, эффективность аналитической химии получила свое отражение в правовом аспекте, и накопленные научные знания учитывались при разработке конкретных законодательных актов по защите окружающей среды [1.24].

Формулируя обязательные требования, законодатель обычно оказывается перед дилеммой: с одной стороны, приходится учитывать правовые интересы граждан, выражающиеся чаще всего в предъявлении претензий к отдельным веществам и материалам; с другой стороны, нельзя упускать из виду возможные расходы, связанные с исполнением определенных обязательств [1.25]. Но одна лишь законодательная база не способна охватить все многообразие подлежащих нормированию веществ и материалов [1.26]. В прошлые времена это порой приводило к тому, что законодательство рассматривало лишь отдельные «модные» вещества, которые особенно горячо обсуждались в народе, но объективно не соответствовали вынесенному общественностью приговору в отношении их потенциальной опасности [1.27].

При исследовании воздействия того или иного вещества на здоровье человека используют в большинстве случаев известный показатель МАК (максимально допустимая концентрация на рабочем месте). Речь идет о концентрации на рабочем месте, например, газа, пара или иных витающих в воздухе веществ. Эта концентрация согласно «современному уровню знаний» при восьмичасовом рабочем дне, как правило, не сказывается отрицательно на здоровье человека. Соблюдение величин МАК есть официально установленная абсолютная минимальная мера защиты здоровья людей. Но эмиссия примесных химикатов, которые сегодня можно обнаружить практически в любом изделии промышленного производства, возможна не только на рабочем месте, но и в собственном жилище. Это проявляется, скажем, в неожиданно высоком выделении химических веществ у мониторов ПК [1.28]. Далее, следует иметь в виду, что величины МАК отнесены к одному конкретному веществу, в то время как на одном и том же рабочем месте возможно наличие множества опасных веществ, вредное действие которых суммируется либо даже преумножается.

При этом бесспорен тот факт, что в некоторых случаях приходится идентифицировать и количественно оценивать отдельные химические соединения. При работе с неорганическими веществами, особенно если они находятся в водных растворах, распространена общепринятая практика, вполне приемлемая даже с учетом необходимых затрат. В этой связи имеет смысл вспомнить о вполне элегантных спектрометрических методах определения анионов и катионов и методах ионообменной хроматографии, позволяющих сократить стоимость проведения анализов.

Совсем иначе обстоит дело с органической химией. В силу сложности отдельных органических соединений их определение, в том числе с использованием самых современных способов хроматографии (например, при сочетании газовой хроматографии с масс-спектрометрией либо при высокоэффективной жидкостной хроматографии), требует гораздо более значительных затрат и в принципе представляется целесообразным только при поиске ограниченного числа известных соединений, обладающих высокой репрезентативностью для какой-то группы веществ с четко выраженным потенциалом вредности. Хотя это и возможно, например при определении в питьевой воде легколетучих хлорпроизводных углеводородов или химических средств защиты растений, но именно там релевантность определения полициклических ароматических углеводородов оказывается весьма сомнительной, ибо, как известно, вещества этого класса отличаются чрезвычайно низкой водорастворимостью и поэтому демонстрируют лишь незначительную подвижность в круговороте воды.

Изучение метаболизма есть еще одно относительно новое научное направление. Под «метаболизмом» понимаются в данном случае процессы изменения структуры и распада органических веществ в живой и неживой природе. Аналитическое исследование используемых в сельском хозяйстве пестицидов, фунгицидов и гербицидов считается весьма сложным и тяжелым делом, без которого, однако, не обойтись при оценке потенциального риска от их применения. Для изучения переноса и перемещения метаболитов требуются долговременные эксперименты, охватывающие множество специальных аспектов. Так, например, совместимость с окружающей средой не может быть обеспечена лишь за счет того, что определенные вещества растворимы в воде и, следовательно, подвержены разложению под действием микроорганизмов, поскольку, с другой стороны, высокая растворимость вызывает опасность заражения грунтовых вод [1.12].

Что касается так называемых «старых химических отходов», которые выносятся фильтрационными водами со свалок и складов и в результате могут попасть в грунтовые воды, а далее — в культурные слои почвы и, наконец, в наши продукты питания, то здесь определяемые в настоящее время концентрации как правило уже столь высоки, что вполне могут устанавливаться традиционными методами [1.30]. Сюда стоит добавить еще вред, причиняемый окружающей среде всего мира разными видами вооружений. В ФРГ насчитывается до 240 000 мест, подозрительных с точки зрения «старых химических нагрузок на природные объекты». Как ненадежна база данных по этой проблематике, так неверна и оценка затрат, связанных с решением проблем в данной области [1.31]. При этом аналитическая задача состоит, прежде всего, в минимизации необходимых для этой цели затрат [1.32]. Число мест экологически опасных «старых нагрузок» столь велико, что их вряд ли удастся проверить и оценить каждое в отдельности. С учетом этого Общество немецких химиков подготовило и издало реестр веществ и материалов, подлежащих первоочередной переработке и утилизации в силу их особой опасности для окружающей среды [ 1.33]. И здесь обязательно встает вопрос относительно общедоступных технологий для проведения обязательной санации и т.п. [1.34].

Также и при аналитике отходов речь идет о значительно более высоких определяемых концентрациях, чем, например, в случае анализа остаточных пестицидов. С большим трудом формируется здесь гораздо более сложная матрица произвольного состава, различающаяся от партии к партии и от места к месту. Полный анализ в данном случае едва ли возможен, но, с другой стороны, потенциальная опасность для человека и окружающей среды исходит от отдельных дискретных веществ, присутствующих порой лишь в виде следов или побочных компонентов. Поэтому в области аналитического исследования отходов для получения ориентированных на матрицу показателей состава находят применение как суммарные параметры и экспресс-тесты, так и обладающая хорошим разрешением следовая аналитика на основе хроматографии [1.35].

Отлично зарекомендовала себя аналитическая концепция в отношении поверхностных и сточных вод, которая как раз закон о защите вод ставит в центре деятельности химиков-исследователей, а не наоборот. Таким образом, в отношении разделения по принципу хроматографии органических веществ, в большом количестве присутствующих в сточных и поверхностных водах, «закон пока не писан», поскольку эти вещества (уже в силу затрат времени и средств) обычно не могут быть более или менее полно идентифицированы и количественно определены, не говоря уже о том, что для преобладающего числа известных нам более чем 7 миллионов химических соединений просто не существует токсикологических или экологических оценок. Помимо этого, на практике иногда можно отказаться от определения характеристик отдельных веществ. Такое происходит, например, при оценке способов обработки сточных вод, которые обычно не касаются специфичности веществ, так что результат очистки может быть легко описан на основе одного суммарного параметра [1.36].

Поэтому характеристика органических веществ, содержащихся в воде, во многих случаях традиционно основана на суммарных параметрах, причем большинство ингредиентов с одинаковыми либо похожими свойствами покрывается одним способом определения. При этом набор суммарных параметров простирается от углеводородов и фенольного числа с узким спектром веществ до химического потребления кислорода, включающего огромный объем веществ. В ходе реализации ряда рационализаторских предложений в лабораториях по исследованию грунтовых вод было установлено общее содержание органического углерода (TOC — Total Organic Carbon). От химического потребления кислорода и биохимического потребления кислорода общее содержание органического углерода отличается, в частности, тем, что процесс анализа здесь относительно легко преобразуется инструментальными средствами. Доказательством тому может служить наличие на рынке множества приборов для определения общего содержания органического углерода. Многие из них, кроме прочего, еще и в высшей степени автоматизированы, так что способ ТОС сегодня уже широко используется при контроле процесса. Также и для определения биохимического потребления кислорода появились новые виды экологически безопасного измерительного оборудования, помогающего сократить до минимума затраты на процесс измерения [1.37].

Наряду с химической аналитикой возросло значение биотестов при контроле сточных вод, что позволило определять токсичность вещества в тех случаях, где это невозможно сделать прямым химическим анализом. При биотестах используются живые организмы, а именно таким образом и в таком количестве, чтобы в ходе реакции можно было измерить активность химических ингредиентов на основе проявлений их жизни. Биотесты можно отнести, следовательно, к суммарным параметрам, отображающим общую биологическую активность пробы. Так как бактерии в принципе поддаются консервации, для применения биотестов могут быть предложены готовые «законсервированные» бактерии. При светящихся бактериях реакция на свет привязана к общему обмену веществ этих бактерий. Подавление свечения таких бактерий в токсичных пробах измеряется с помощью люминометра [1.38].

Гораздо более серьезные проблемы возникают при оценке глобальных рисков, обусловленных, например, парниковым эффектом, озоновыми дырами [1.39] и т.д. либо вырубкой лесов или иными изменениями природы под действием выделяющихся вредных веществ [1.40]. Наибольшей сложностью для аналитики является тогда определение чрезвычайно низких концентраций активных веществ. Значимые величины таких концентраций, которые нередко и так уже достигают области триллионных долей, трудно себе представить и не менее трудно обнаружить [1.41]. Но лишь надежные результаты измерений при высокой чувствительности обнаружения позволяют сделать правильные выводы о реальных нагрузках на окружающую среду [1.42]. Последние можно представить тогда в виде математических моделей климата с целью моделирования процессов в комплексной системе химии атмосферы [1.43].

Вызывает удовлетворение тот факт, что аналитика окружающей среды стала сейчас достоянием широкой общественности. Все возрастающее значение результатов анализов несомненно способствует росту профессионализма специалистов, занятых аналитическим исследованием объектов окружающей среды по широкому фронту [1.44].

Аналогично внедрению системы менеджмента качества согласно ДИН ИСО 9000, вводятся и системы управления экологической защитой. Можно надеяться, что при этом будут учтены известные ошибки и недочеты упомянутой системы менеджмента качества. Было разработано специальное предписание ЕЭС 1836/93 касательно добровольного участия производственных предприятиях в совместной работе по управлению и контролю в сфере зашиты окружающей среды. С вступлением в силу 1 июля 1993 г. этой европейской нормы во всех странах Европейского экономического сообщества создаются системы экологической зашиты, целью которых является, кроме прочего, воспитание сознания людей на всех производственных уровнях в духе защиты окружающей среды, что способствовало бы улучшению ее состояния. Этот созданный на добровольной основе механизм позволит проводить систематическую, регулярную, объективную и документированную оценку мощности любого предприятия с точки зрения экологической безопасности [1.45]. Подобные «экологические аудиты» на предприятиях становятся плодотворным источником рационализаторских предложений, шаг за шагом совершенствующих благородное дело защиты окружающей среды [1.46].

Не исключено, что это новое образование натолкнется на определенный скепсис и частично даже неприятие со стороны некоторых слоев общества. Но главное достижение заключается в том, что человечество будет получать достоверную информацию о возможных рисках. Вся промышленность и большая часть сферы услуг будут путем предоставления открытой и честной информации способствовать повышению доверия к ним со стороны населения. Европейская промышленность, особенно в странах с «перегретой» экономикой и высокой средней заработной платой, при производстве основных химикатов, изделий широкого потребления и частично также промежуточной продукции уходит из высокоразвитых промышленных стран, перемещаясь в развивающиеся страны с более низким уровнем оплаты труда. Причиной этого является не только разница в производственных затратах, но также и недооцененная экспертами враждебность европейцев к совершенствованию технологий, что резко снижает в глазах общества уровень доверия к химическим процессам [1.47|. Но, перемещаясь в соседние страны, рискованные технологии не становятся безопаснее.

Аналитика объектов окружающей среды непосредственно на месте нахождения объекта приобретает все большую популярность [1.48], будь то исследование свалок или выемок грунта либо набирающие силу тренды регистрации и санирования так называемых «старых нагрузок». Далее, стоит упомянуть исследование прямо на месте и контроль так называемых «опасных грузов». Для всех проверок такого рода требуется ускоренное измерение и экспрессность, то есть высокий темп получения результата, так сказать, не сходя с места. Это позволяет быстрее, надежнее и эффективнее обнаружить источники опасности для человека и окружающей среды. Все мыслимые анализы, особенно в сфере следовой аналитики, могут быть проведены за самые короткие сроки с помощью систем, разработанных по последнему слову техники. Сегодня существует возможность почти все современное аналитическое оборудование встроить в специальные передвижные лаборатории. Даже высокочувствительные измерительные приборы, сочетающие, например, газовую хроматографию с масс-спектрометрией, или атомно-абсорбционные спектрометры могут прямо на месте использоваться для целей мобильной аналитики. Следовательно, здесь находят применение не методы экспресс-анализа, а обычные для стационарной лаборатории приборы и системы, в полной мере отвечающие всем необходимым требованиям (см. нормы ДИН).

В заключение можно утверждать, что в области зашиты окружающей среды последующие годы будут отмечены четкой тенденцией к высокотехнологичной аналитике, причем такой тренд проявит себя даже в отношении весьма сложных способов определения в текущей лабораторной практике. Специальное оборудование в сочетании с современной электроникой, техникой управления и регулирования уже сейчас усовершенствовалось настолько, что на основе соответствующих методов удается обнаруживать элементы и соединения в единицах пико- и фемтограммов. Подобное развитие безусловно имеет свою цену. И затраты на приобретение необходимых приборов, и оплата высококвалифицированного персонала продолжают неуклонно расти.

Когда луч света интенсивностью I₀ падает на исследуемую пробу, то одна часть излучения отражается от поверхности (I_r), другая часть (I_s) рассеивается содержащимися в пробе частицами, а третья часть (I_а) поглощается молекулами. Остаточное излучение I пропускается, как показано на рис. 2.1. Итак, имеем:

Следовательно, надо различать внешние (неквантованные) и внутренние (квантованные) эффекты.

I_r — по величине и направлению зависит только от макроскопических свойств пробы и не содержит никакой информации о ее внутримолекулярном строении;

I_s — определяется отношением диаметров частиц к длине волны света и принимает максимальное значение, когда оба эти параметра составляют сравнимый порядок величин. Рассеянное излучение может исходить как от очень малых частиц коллоидных растворов (рассеяние Тиндаля), так и от отдельных молекул (рэлеевское рассеяние). При феномене Рэлея свет возбудителя приводит электроны молекулы в состояние вынужденных колебаний. Эти колеблющиеся электрические диполи представляют собой источники вторичного излучения, причем излученный свет имеет ту же длину волны, что и свет возбудителя. Подобные рассеяния тоже относятся к внешним эффектам;

I_a — это та самая доля света, которая поглощается молекулами. При этом световая энергия обычно превращается в другую форму энергии. Такой процесс преобразования протекает при возбужденных состояниях молекулы.

Атомы и молекулы существуют в дискретных энергетических состояниях. Между этими состояниями возможны переходы, индуцированные поглощением либо излучением энергии. При абсорбционных измерениях прослеживается изменение излучения, выходящего из источника света, при вводе поглощающего вещества в ход лучей. При этом материя при переходе в более богатые энергией состояния возбуждения отбирает энергию у света. В зависимости от энергии излучения могут исследоваться разные возбужденные состояния. Это энергетические состояния атома или молекулы, претерпевающие изменение при поглощении излучения: атом или молекула переводится из одного энергетического состояния Е_a в другое энергетическое состояние E_e, причем E_e > E_a.

Поскольку эти процессы протекают в атомных или, соответственно, молекулярных размерностях, то для них имеют силу законы квантовой теории, согласно которым молекула может принимать не любые, а лишь совершенно определенные внутренние энергетические состояния.

Для возбуждения из состояния A в состояние В требуется дискретная энергия, то есть поглощается только излучение, у которого лучистая энергия Е равна разности энергий ΔΕ между состоянием возбуждения В и основным (невозбужденным) состоянием А:

в то время как излучение другой энергии пропускается. Между увеличением энергии молекулярной системы и частотой ν или, соответственно, длиной волны λ поглощенного света справедливо отношение:

Главная задача абсорбционной спектроскопии состоит в установлении зависимостей между положением и интенсивностью этих мест поглощения и целым рядом свойств исследуемой пробы.

И наоборот: также «возбужденные», то есть находящиеся на более высоком энергетическом уровне, атом или молекула при излучении света частоты ν могут перейти в состояние с энергией, меньшей на ΔΕ. Надо различать, следовательно, спектры поглощения и спектры эмиссионного излучения. Измерения эмиссионного излучения возможны благодаря тому, что атомы или молекулы, возбужденные в результате действия высоких температур, электронной бомбардировки либо поглощения излучения, вновь отдают свою избыточную энергию в виде излучения и сами при этом «светятся».

Чтобы понять, какие элементарные процессы могут побудить молекулу к поглощению или испусканию электромагнитного излучения, следует исходить из гораздо более простых отношений у свободных атомов. Для атома возможны только совершенно определенные энергетические уровни, каждый из которых соответствует характеристической конфигурации электронов. Все изменения энергии в пределах одного атома осуществляются через электронные переходы между орбиталями разных энергий. Из-за их ограниченного числа обмен энергией с окружающей средой не может осуществляться непрерывно, но происходит в совершенно определенных ΔΕ-модулях, которые равны разности энергий электронных уровней и которым соответствуют строго установленные частоты поглощенного и излученного света. Эти частоты являются до некоторой степени «собственными частотами» атомной системы, взаимодействие которой с электромагнитным излучением можно приблизительно - как это утверждает классическая дисперсионная теория - описать по аналогии с резонансом механических осцилляторов. Так же, например, как начинает колебаться камертон при поглощении энергии, когда частота возбуждающего звука совпадает с его собственной частотой, так и при излучении с собственными частотами атомов происходят квантовые переходы электронов на более высокие энергетические уровни.

Вследствие этого из непрерывного светового спектра атом поглощает лишь те частоты ν₁, ν₂, ν₃ и т.д., которые соответствуют его собственной частоте. Такие же частоты могут излучаться возбужденным атомом при обратных электронных переходах на орбитали с меньшей энергией.

Атомные спектры есть линейчатые спектры.

Их поглощения и эмиссионные излучения находятся в области видимого и ультрафиолетового света, поскольку разности ΔE между внешними электронными оболочками, где происходят соответствующие переходы, как раз эквивалентны этому диапазону частот электромагнитного излучения. У атомов оба перехода, то есть абсорбция и эмиссия, находят применение в спектроскопии. Таким образом, различают атомно-абсорбционную и атомно-эмиссионную спектроскопию.

В силу более сложной структуры у молекул возможны более разнообразные энергетические переходы, чем у атомов. Электронная система молекулы тоже строится из дискретных электронных уровней с разной энергией и в этом смысле весьма похожа на электронную оболочку атома. Поэтому и у молекул имеют место находящиеся вблизи видимой области и основанные на электронных переходах поглощения. Однако здесь речь идет не об отдельных линиях поглощения, а о полосах поглощения, состоящих из множества отдельных линий.

Молекулярные спектры есть полосатые спектры.

Они образуются в результате того, что у молекул, в отличие от атомов, электронный переход является не единственно возможным способом изменения количества энергии. При объединении двух или нескольких атомов в одну молекулу возникает пригодное для атомных колебаний образование, колебательная энергия которого квантована таким же способом, что и энергия электронов.

Но кванты энергии ΔE, определяемые собственными частотами колебаний и необходимые для их возбуждения, все же гораздо слабее количества энергии, требуемого для возбуждения электронов, так что поглощения колебаний происходят не вблизи видимой области, а в обладающей меньшей энергией инфракрасной области спектра электромагнитного излучения.

И наконец, в отличие от атома, молекула способна поглощать энергию также в форме вращательной энергии. Поскольку необходимые для возбуждения вращательных степеней свободы кванты энергии еще меньше, чем кванты колебательной энергии, то поглощения вращательной энергии приходятся на еще более дальнюю длинноволновую часть спектра — область дальней ИК- и микроволн, которым соответствуют длины волн в порядке величин миллиметров и сантиметров.

Одни только вращательные переходы можно исследовать изолированно от изменений прочих внутренних энергетических состояний молекулы. Но линейчатый спектр получают лишь в условиях возбуждения сильно разреженных газов. В противном случае свободные вращения молекул так или иначе затрудняются межмолекулярными столкновениями, и контуры линий в большей или меньшей степени стираются.

Это не касается случаев возбуждения колебаний, поскольку имеющейся здесь энергии всегда достаточно и для возбуждения вращательных степеней свободы, так что каждый колебательный переход сопровождается целым рядом близких друг к другу вращательных переходов. Еще сложнее отношения при возбуждении электронных переходов, которые постоянно сопровождаются самыми разными колебательными и вращательными переходами.

Таким образом, каждый колебательный и, соответственно, электронный переход состоит из последовательности почти прилегающих друг к другу линий, которые у молекул со сложной структурой сливаются в полосы поглощения и обычно уже не поддаются разрешению с помощью обычных спектрометров коммерческого назначения. В случае твердых, жидких или растворенных веществ исследование линейчатой структуры в принципе не возможно из-за межмолекулярных помех. Это является причиной появления упомянутых выше полосатых спектров, возникающих у молекул в видимой и УФ-областях вместо атомных линейчатых спектров (см. рис. 2.2).

Квантовые переходы самого богатого энергией движения (например, возбуждения электронов) определяют положения полос, а сопровождающие их наложения переходов с меньшей энергией (вращение и колебание) — форму полос.

Как и при атомной спектрометрии, в случае молекулярной спектрометрии также существуют разные способы измерения абсорбции (спектроскопия в УФ/видимой и ИК-области) и эмиссии (флуоресцентная спектроскопия).

Предстоит выяснить вопрос, каким образом молекула может вступать во взаимодействие с электромагнитным излучением и в какой форме регистрируется энергия возбуждения.

Поглощение электромагнитного излучения возможно только у молекул, обладающих перманентным дипольным моментом.

Согласно классической теории электрических диполей, периодическое изменение в пространстве их направления, размера либо того и другого приводит к эмиссии электромагнитного излучения. Если частота периодического изменения диполя есть ν_a, то частота эмиссионного излучения тоже будет ν_a. Периодическое движение диполя при этом постепенно затухает, его энергия преобразуется в излучение.

Возможен и обратный вариант, когда находящийся в состоянии покоя электрический диполь в результате поглощения электромагнитного излучения возбуждается до состояния периодических движений. Электромагнитное переменное поле света воздействует на центры тяжести положительного или отрицательного зарядов диполя и сообщает ему соответствующие периодические движения. Эти условия схематически показаны на примере двухатомной молекулы, обладающей непрерывным дипольным моментом (например, СО, HCl, NO и др.), см. рис. 2.3.

Изменение дипольного момента по размеру и направлению осуществляется посредством вращения (случай «а»), колебания (случай «б») и изменения распределения электронов в молекуле (случай «в»). Все три формы движения носят периодический характер. Так, для случая «а» можно указать частоту вращения μ_вращ., для случая «б» — частоту колебаний μ_rjkt,. и для случая «в» — частоту электронов μ_ЭЛ.

Итак, периодическое изменение молекулярного дипольного момента в результате вращения, колебания или электронного возбуждения достигается только с совершенно определенными частотами.

Следовательно, поглощение происходит, когда частота света совпадает с одной из возможных частот диполя. Этим объясняется избирательное поглощение из многочастотного непрерывного излучения. Если двухатомная молекула не имеет дипольного момента (например, Н₂, Ν₂, Сl₂), то есть когда μ_вращ. = μ_колеб. = 0, то вращение и колебание не могут быть возбуждены путем поглощения излучения. Тогда обе эти формы движения будут «не активны».

Такие условия возбуждения действительны не только для двухатомных соединений, но могут быть целесообразно перенесены и на молекулы более сложного строения. В то время как частоты поглощения определяются возможными частотами диполя, размер поглощения зависит, во-первых, от величины изменения дипольного момента и, во-вторых, от направления, которое диполь принимает относительно вектора напряженности электрического поля световой волны. Чем больше изменение дипольного момента, тем больше и поглощение.

При заданной величине диполя поглощение будет самым мощным, когда направления диполя и вектора напряженности электрического поля световой волны параллельны, и поглощение будет равно нулю, когда эти направления проходят перпендикулярно друг другу. Но такую зависимость от направлений можно обнаружить только при использовании поляризованного света и на пробах с ориентированными молекулами (например, в монокристаллах). Во всех других твердых, жидких и газообразных образцах молекулы статистически ориентированы по всем направлениям пространства, что не позволяет доказать зависимость поглощения от направленности дипольного излучения.

Видимое излучение есть часть электромагнитного спектра, воспринимаемая человеческим глазом. Не в последнюю очередь именно по этой причине данную область спектра сразу привлекли для проведения химических анализов. Электромагнитный спектр простирается от обладающего огромной энергией космического излучения до рентгеновского, ультрафиолетового, видимого излучения и далее — до ИК-излучения и маломощных радиоволн. Частоты гамма-лучей и радиоволн различаются на 15 десятичных порядков, и такие же различия имеют количества энергии, которые при эмиссии или, соответственно, абсорбции этого излучения преобразуются в результате взаимодействия с материей (см. табл. 2.1).

Эмиссия гамма-лучей, длина волны которых составляет всего 10^-11 см, осуществляется на основе ядерных реакций. Рентгеновские лучи с длинами волн 10^-8 см образуются в результате электронных переходов между внутренними оболочками так называемых ядерных электронов. Они практически не зависимы от состояния связи атомов. Для возбуждения вращения, колебания, а также электронного возбуждения молекул используется только одна относительно небольшая спектральная область с длинами волн от 10^-1 до 10^-6 см.

Эту область ИК-, видимого и УФ-излучения именуют также «оптическим спектром», так как здесь в качестве экспериментальных вспомогательных средств находят применение оптические элементы: линзы, зеркала, призмы и дифракционные решетки.

Минимальная энергия излучения использует вращение молекулы вокруг трех инерциальных осей х, у, z. Напомним, что энергию излучения не следует путать с интенсивностью излучения. Интенсивность излучения есть количественная мера силы света и не содержит в своем определении длину волны λ, в то время как энергия, выраженная здесь через λ, описывает качество излучения. Вращение возбуждается уже длинноволновым излучением и приходится на микроволновую или дальнюю ИК-область спектра.

Колебания молекул требуют для своего возбуждения повышенной энергии. Поглощение осуществляется при более коротких длинах волн в области И К-излучения. При этом атомы и группы атомов молекул начинают колебаться относительно своего положения покоя. Так как при этом одновременно возбуждаются вращения молекул, то речь идет, если говорить точнее, о вращательно-колебательных спектрах.

При длинах волн ниже 800 нм, то есть в видимой и УФ-областях спектра, энергии излучения достаточно, чтобы вступить во взаимодействие с электронами молекул. При этом возбуждаются только валентные электроны соединений, причем более слабо связанные ^-электроны кратных связей и «-электроны гетероатомов поглощают в области более длинных волн, чем σ-электроны простых (одинарных) связей. Поскольку при этом возбуждается движение всех трех видов, то речь идет о вращательно-колебательно-электронных спектрах.

Спектр поглощения определяется двумя параметрами:

С помощью спектроскопии можно получать как качественные, так и количественные результаты. Но в идеальном варианте вещества при этом должны быть абсолютно чистыми, ибо в случае смеси веществ происходит суммирование поглощений отдельных компонентов; не стоит забывать и о возможности появления дополнительных межмолекулярных взаимодействий. Если мы имеем дело с неизвестной смесью веществ, то, по крайней мере, для молекулярной спектроскопии потребуется предварительное разделение этой смеси на отдельные субстанции — например, с применением способов хроматографии. В отличие от этого, атомная спектроскопия благодаря своим особенностям обладает чрезвычайно высокой селективностью, так что разделения на составляющие при этом обычно не требуется, если не возникают какие-либо перекрестные помехи.

В абсорбционной спектроскопии используется спектрометр, включающий в себя следующие конструкционные узлы:

Источник видимого излучения должен посылать для соответствующей спектральной области полихроматический свет максимально близкой интенсивности. Однако не существует такого источника излучения, который способен выполнить это требование по всей интересующей области спектра — от вакуумного ультрафиолета до дальней инфракрасной зоны. Например, лампа накаливания пригодна только для видимой и ближней ИК-областей спектра и совершенно не подходит для ультрафиолетовой и инфракрасной зон.

Поскольку существующие источники, за исключением отражающих клистронов в микроволновом диапазоне, посылают непрерывный свет, то есть имеют эмиссионное излучение, непрерывно распределяемое в широком интервале длин волн, но, с другой стороны, при спектроскопии интерес представляет именно поглощение при определенных длинах волн, то здесь не обойтись без монохроматора, разлагающего сложный лучистый поток на его монохроматические составляющие. Итак, речь идет об устройстве для спектрального разложения света. Ранее эту функцию выполняли призмы, ныне как стандартный вариант применяют оптические решетки, действующие по принципу дифракции света. Эта дисперсионная система, которая, естественно, не может поглощать в самой спектральной области, разлагает излучение в спектр, из которого через узкую выходную щель, более или менее монохроматично, может быть выделена желаемая длина волна.

Носитель пробы, включая всю оптическую систему, должен быть проницаем для используемого излучения. Стекло, например, не годится ни для УФ-, ни для ИК-лучей, так как оно само поглощает излучение обоих этих видов. Приемник, именуемый также детектором, срабатывает на используемую область излучения и преобразует принятый световой сигнал в измеряемое электрическое напряжение.

Из приведенных кратких объяснений следует, что, если рассматривать в аппаратурном плане, представляется маловероятной возможность с помощью одного спектрометра без замены конструкционных элементов за один прием регистрировать всю интересующую область спектра. Кроме прочего, для веществ в разных спектральных областях предусмотрены и разные способы пробоподготовки.

В отношении источника излучения необходимо принимать во внимание следующее.

Кроме того, приемник излучения, детектор, обладает обычно зависимой от частоты чувствительностью, что послужило основанием для создания двух типов спектрометров — одно- и двухлучевого.

В видимой и УФ- областях спектра кванты света обладают таким количеством энергии, что благодаря этому электроны с самыми слабыми связями — валентные электроны — могут возбуждаться и, соответственно, подниматься на более высокий энергетический уровень. Как электроны атомов (атомные спектры), так и электроны молекул поглощают фотоны и испускают их при возврате в основное состояние. Миграция электронов продолжается в течение примерно 10^-16 с^[3]. В зависимости от участвующих электронов возможны переходы между разными энергетическими уровнями.

Валентные электроны соединений принято подразделять на электроны σ- и π-связей. В случае гетероатомов добавляются еще несвязывающие электроны неподеленных пар, определяемые как n-электроны. В невозбужденном состоянии электроны парами с противоположным спином заселяют низшие энергетические уровни молекулы. В результате абсорбции квантов света, или фотонов, соответствующей энергии электроны могут переходить в вакантное несвязывающее состояние, обозначаемое верхним индексом (звездочкой) рядом с символом электрона. При использовании такой классификации возможны электронные переходы, представленные в табл. 3.1.

Длинноволновые поглощения двойных связей, происходящие в результате электронных переходов между высшими заполненными и низшими свободными орбиталями π-связей молекул, известны как π → π*-переходы. Подобные длинноволновые переходы возможны еще только при наличии атомов с электронами неподеленных пар. Они основаны на электронных переходах с несвязывающих орбиталей атомов на возбужденные орбитали молекул σ- или π-связей (так называемые n → σ* или n —> π*-переходы).

Абсорбция соединений, содержащих только электроны σ-связей, протекает, как правило, в вакуумной УФ-области ниже 180 нм. В этом диапазоне, которому соответствуют уже весьма значительные энергии возбуждения, обнаруживают также упорядоченные полосы серий Ридберга (Ν → R*-переходы), которые по аналогии с соответствующими сериями атомных спектров осуществляются в результате возбуждения электрона на вышележащие орбитали молекул в направлении их ионизации.

Молекулы обладают обычно одним синглетным состоянием с антипараллельными спинами электронов в качестве невозбужденного состояния и — как синглетным, так и триплетным — состояниями с параллельными спинами электронов в качестве электронно-возбуждаемых состояний. Поскольку взаимодействие между спином электрона и электромагнитным полем света не столь активно, вероятность изменения ориентации спина при электронном возбуждении очень низка. Здесь действует правило отбора (как в случае атомов), согласно которому переходы разрешены только между состояниями равной мультиплетности, то есть исключительно между синглетными или между триплетными состояниями. Поэтому переходы с переориентацией спина «запрещены». С возрастанием атомного веса элементов в результате так называемой спин-орбитальной связи, то есть связи спина электрона с электронными орбиталями, становятся возможны и синглетно-триплетные переходы, вызывающие явления фотолюминесценции.

Многие молекулы обладают электронной конфигурацией с возбужденными связывающими и также несвязывающими электронами. Например, в случае карбонильной группы могут возбуждаться как связывающие π-электроны, так и несвязывающие «-электроны атома О (см. рис. 3.1). В подобных случаях поглощение осуществляется, конечно, при разных длинах волн.

По уравнению ΔΕ = Ε_B — Е_A = hν можно вычислить поглощение света чисто теоретическим путем, если удастся рассчитать разные энергетические состояния молекулы E_A, E_B, E_C и т.д. Путь такого решения принципиально ясен. Он проистекает из квантовой механики и реализуется через уравнение Шредингера. Однако точное теоретическое измерение возможно только для атома водорода, а при атомной системе даже из двух электронов правильное вычисление недостижимо из-за взаимного влияния электронов. В отличие от атомов, где мешающим фактором можно считать исключительно электронные взаимодействия, у молекул дополнительно еще приходится принимать во внимание взаимодействия с другими ядрами, как и самих ядер друг с другом. Связь молекулы есть следствие электронного обмена из-за неразличимости, что приводит к вероятности конечной жизни электронов и, соответственно, их заряда между ядрами.

Не существует чисто математического способа решения задач с собственными значениями молекул и, следовательно, унифицированного описания химической связи на основе квантовой механики. У двухатомных молекул еще вполне допустимо описание электронных состояний с помощью главного квантового числа, орбитального квантового числа, магнитного квантового числа и спинового квантового числа.

Но если молекула состоит из нескольких атомов, то ее рассмотрение ограничивается электроном, выполняющим переходы. Следовательно, для проведения необходимых расчетов придется прибегать к упрощениям во избежание известных сложностей математического характера. Для решения такого рода проблем предлагается два принципиально разных метода приближенного вычисления молекулярных функций, а именно: молекулярно-орбитальный (МО) и валентных связей (ВС).

Метод валентных связей использует линейные комбинации атомных орбиталей, исходя от раздельных атомов и их орбитальных функций (атомные орбитали). Молекулярно-орбитальный метод идет от уже готового скелета ядра молекулы и так называемых молекулярных орбиталей. При этом энергетические состояния электронов в наипростейшем случае получаются из линейных комбинаций подходящих атомных орбиталей в форме молекулярных орбиталей, а скелет молекулы с его остаточными электронами рассматривается как постоянный. Таким образом, речь идет об одноэлектронном приближении с созданием так называемой молекулярно-орбитальной схемы энергетических уровней для всех электронов молекулы.

Эта схема энергетических уровней заполняется по принципу Паули. Энергию перехода электрона из высшей заполненной молекулярной орбитали HOMO-Orbital (highest occupied МО) на низшую вакантную молекулярную орбиталь LUMO-Orbital (lowest unoccupied МО) можно приблизительно вычислить, сделав прогноз касательно характеристики поглощения в видимой и УФ-областях спектра. Значительное упрощение и, следовательно, лучшее приближенное вычисление достигается в случае легко возбудимых электронов π-связей, которые несут основную ответственность за поглощение света в видимой и УФ-областях спектра. Указанные π-электроны в первом приближении не взаимодействуют с прочими электронами, так что при определении энергий возбуждения можно ограничиться рассмотрением π-электронных состояний.

Эти полуэмпирические способы имеют огромное значение для теоретической интерпретации электронных спектров. Они позволяют соотносить наблюдаемые полосы с определенными электронными переходами. Теоретически оценивать можно не только области поглощения отдельных полос, но и сведения об интенсивности и влиянии соответствующих заместителей. Интересное применение можно здесь усмотреть, например, в разработке наносимых на кожу солнцезащитных средств. Их задачей является защита кожи путем поглощения опасных лучей УФБ (от 320 нм). На основе математических расчетов удается теоретически структурировать соответствующие молекулы, которые еще пропускают желаемые лучи УФА (до 320 нм), необходимые для получения загара, и поглощают большую часть нежелательных лучей УФБ, способных вызвать рак кожи (рис. 3.2).

Далее, такие расчеты демонстрируют зависимости между УФ-спектрами, полуволновыми потенциалами, потенциалами ионизации и рядом других свойств. Однако они имеют большее значение для химиков-теоретиков, чем для химиков-аналитиков.

С разделением на разрешенные и запрещенные электронные переходы связаны абсолютно разные интенсивности поглощения. Облучение соединений может, но не обязательно должно приводить к возбуждению электронов, поскольку не каждый переход в равной степени вероятен. Интенсивность полосы поглощения, основанной на запрещенном переходе, на десятичные порядки ниже интенсивности полосы разрешенного перехода.

Способность к светопоглощению посредством переходов между двумя электронными состояниями с разной энергией зависит от того, можно ли под влиянием электромагнитного излучения перевести электронное распределение основного состояния в электронное распределение возбужденного состояния. Для их взаимодействия с электрическим полем света необходимо, как и в случае ИК-спектров, чтобы при возбуждении осуществлялось изменение распределения зарядов, определяемое через так называемый момент перехода: он как раз показывает происходящее при электронном возбуждении изменение распределения зарядов. Этот момент всегда достаточно велик при переходах между электронными состояниями с разной симметрией распределения зарядов. В таком случае имеет место разрешенный переход, инициирующий интенсивное поглощение.

Напротив, переходы между электронными состояниями равной симметрии распределения зарядов запрещены, так как при этом не возникает указанного момента перехода. Только в результате одновременного участия колебаний атомов, нарушающих симметрию распределения зарядов, электронное распределение в обоих состояниях изменяемо настолько, что запрет на переход уже не будет таким уж строгим и может быть нарушен. Однако интенсивность основанной на таком переходе полосы поглощения будет все же на несколько десятичных порядков меньше, чем в случае разрешенного перехода. Примером разрешенного перехода может служить полоса бензола при длине волны 255 нм (π → π*-переход) либо ее эквивалент в более сложных системах.

Заключение о том, что максимально возможные интенсивности поглощения должны возрастать с увеличением размеров поглощающей системы сопряжения, вытекает из достаточно простого рассуждения, что свет может поглощаться только тогда, когда фотон «встречается» с поглощающей электронной системой. Следовательно, существует прямая пропорциональная зависимость между геометрическими размерами молекулярной «зоны назначения» и интенсивностью поглощения, которая, кроме прочего, зависит еще и от упомянутой выше вероятности соответствующего электронного перехода. Существует множество факторов, оказывающих влияние на вероятность определенного перехода. На первом месте стоят правила, указывающие на то, какие переходы являются разрешенными и какие запрещенными. Они довольно сложны, поскольку зависят от симметрии и мультиплетности как основного, так и возбужденного состояния.

Конденсированные ароматические циклические системы имеют общую, растянутую на все циклы, электронную систему π-связей, ответственную за поглощение света. Полосы поглощения приходятся на участок спектра, именуемый областью «отпечатков пальцев». Положение полос поглощения зависит от числа конденсированных циклов и их расположения относительно друг друга. При четко выраженных системах сопряжения поглощение в конце концов смещается вплоть до видимой области, в результате чего получают цветные вещества или, соответственно, красители.

Итак, интенсивное длинноволновое поглощение делает вытянутые π-электронные системы особенно удобными для исследований в видимой и УФ-областях спектра.

Это означает, что в случае наибольшего числа органических соединений, поглощающих в ближней УФ- и видимой областях спектра, речь идет о мезомерных соединениях с системами сопряженных кратных связей. Но не существует простого правила или метода, позволяющего идентифицировать один хромофор, ибо на спектр воздействует слишком много факторов, так что пришлось бы иметь дело с несметным числом возможных структур.

Традиционные спектрометры в УФ- и видимом интервалах длин волн состоят из следующих основных узлов:

В спектроскопии УФ- и видимой областей спектра различают два вида приборов: фотометр и спектрометр.

Фотометры при выбранных установленных длинах волн измеряют поглощение, причем длина волны выбирается с помощью оптических фильтров в ходе лучей. Такие устройства используются только для количественных анализов и не предназначены для регистрации спектров.

Спектрометры последовательно и автоматически регистрируют отдельные длины волн, причем длина волны устанавливается с помощью дифракционной решетки. Чтобы компенсировать различия в зависимой от длины волны интенсивности света I₀, спектрометры могут иметь двухлучевое исполнение.

Подлежащие исследованию пробы могут быть представлены во всех трех агрегатных состояниях. Для изучения строений веществ самыми благоприятными представляются спектры газа, при которых связь между поглощением света и структурой отдельных молекул в наименьшей степени нарушается межмолекулярными взаимодействиями. Но для целого ряда соединений такой вариант не годится, поскольку они в допустимом диапазоне температур не обладают требуемой летучестью.

Поэтому самым ходовым способом регистрации остается измерение в сильно разбавленном растворе, причем используются кварцевые кюветы с нормальной толщиной слоя в 1 см. Расход вещества здесь совсем невелик, и, как правило, находят применение растворы от 10^-2 до 10~⁵ моль/л.

В качестве растворителей могут рассматриваться все вещества, не обнаруживающие самопоглощения в исследуемой области спектра. Измеренные в растворе спектры поглощения с точки зрения положения, интенсивности и формы их полос по сравнению со спектрами газа изменены тем больше, чем сильнее межмолекулярные взаимодействия между растворенным веществом и растворителем, так что для целей спектроскопии в качестве растворителей более всего подходят неполярные углеводороды — гексан, гептан или циклогексан.

Перечень чаще всего используемых растворителей приведен в табл. 3.3.

Здесь регистрация спектров осуществляется преимущественно в форме графика, где оптическая плотность Е наносится относительно длины волны λ. Поскольку коэффициенты оптической плотности отдельных полос поглощения могут различаться до нескольких десятичных порядков, то лишь в логарифмическом масштабе даже совсем слабьте полосы способны еще проявиться наряду с областями очень интенсивных поглощений.

Полученные таким образом спектры поглощения тоже могут играть роль «отпечатков пальцев» при идентификации тех или иных веществ. Но по причине гораздо меньшего числа их полос они не столь характеристичны, как ИК-спектры. В случае проб, у которых интересующий компонент в биологических материалах или при относительно сильном основном поглощении отличается слишком слабой абсорбцией, проблемы выбора способа измерения пытаются решать на основе или дифференциальной (разностной), или производной спектрометрии.

Особо ценные сведения о строении исследуемого вещества дает теоретическая расшифровка спектров, которая делает абсорбционную спектроскопию в видимой и УФ-областях незаменимым вспомогательным средством для любой современной химической лаборатории.

Естественно, не все молекулы поглощают в УФ-области спектра. Окрашенные вещества поглощают в видимой области, то есть энергия имеет здесь более узкие интервалы. В случае органических молекул ответственность за это несут так называемые хромофорные группы, состоящие из сопряженных двойных связей. Чем длиннее сопряженные цепочки, тем больше поглощение сдвигается в сторону видимой области. С другой стороны, комплексные соединения переходных металлов показывают характеристические поглощения в видимой области (цвет) через электронные переходы с нижнего на верхний вырожденный энергетический уровень.

Видимая для человеческого глаза часть излучения включает в себя световые волны длиной от 400 до 800 нм. Глаз не в состоянии разложить полихромный свет на его составляющие. Воспринимается только один цвет, возникающий в результате сложения всех попадающих в глаз световых лучей. Если спектральный состав дневного света не изменяется, то он воспринимается как белый. И только когда часть спектра гасится при поглощении, создается цветное зрительное впечатление дополнительно к поглощенному цвету спектра.

Волны в разных областях этого интервала формируют в глазу совершенно определенные цветоощущения (см. табл. 3.4). Вещество, поглощающее, например, в синей области спектра, покажется глазу в желтом цвете.

Смесь световых волн всех длин наблюдатель воспринимает как бесцветную. Цветными предметы будут казаться, когда они поглощают волны определенных длин и отражают весь остальной спектр (табл. 3.5). Если в видимой области возникает несколько полос поглощения, то о простом составе уже говорить не приходится, и цвет вещества порой лишь с трудом удается предугадать по спектру поглощения.

Если раствор какого-то вещества имеет зеленую окраску, то он поглощает свет из красной и синей областей спектра. Для достижения максимально возможной чувствительности фотометрического определения концентрации измерение целесообразно проводят при той длине волны, при которой поглощение особенно велико. Подходящую длину волны устанавливают следующими способами:

Бесцветные вещества не поглощают свет из видимой части электромагнитного спектра, но большинство материалов поглощают свет в не видимой для человеческого глаза ультрафиолетовой области. Способы измерения при этом идентичны.

Если в одной пробе содержится несколько веществ, спектры которых накладываются друг на друга, значит, придется иметь дело с так называемым «факторным анализом». При многокомпонентном анализе предполагается, что линейность закона Ламберта-Бера выполнена для всех компонентов и что никакие взаимодействия не нарушат существующую аддитивность [3.2].

Цель такого анализа состоит в измерении концентраций по суммарным спектрам на основе содержаний отдельных компонентов в смесях. Каждый спектр реконструируется посредством линейной комбинации значимых факторов, причем соответствующие значимости служат в качестве коэффициентов. Тогда можно с помощью множественно-линейной регрессии установить корреляции между значимостями факторов и измеренными величинами экстинкций. В качестве примера на рис. 3.11 представлены индивидуальные спектры витаминов В₁ В₆ и В₁₂ и полученный суммарный спектр.

Допустим, для n компонентов в пробе надо измерить оптическую плотность при n разных длинах волн. При двухкомпонентном анализе было бы вполне достаточно измерения при двух длинах волн. Оптические плотности формируются тогда следующим образом:

Это означает, что оптическая плотность при длине волны λ₁, Е(λ₁), складывается из фактора α(A,1), умноженного на концентрацию вещества А, С_А, плюс фактора α(B,1), умноженного на концентрацию вещества В, С_B. Соответствующим образом получают и оптическую плотность при длине волны λ₂. Данные факторы должны быть сначала определены на основе спектров отдельных компонентов. При смеси из двух компонентов имеем тогда два уравнения с двумя неизвестными, С_А и С_B, решаемые математическим путем. При n компонентах используют соответственно п уравнений, то есть n значений оптической плотности при п разных длинах волн, чтобы определить все концентрации отдельных компонентов.

На первый взгляд, проведение такого факторного анализа кажется довольно рискованным делом. До некоторой степени это верно, поскольку именно калибровка, как при любом количественном анализе, требует здесь особой тщательности. С другой стороны, этот анализ чрезвычайно прост и в большинстве случаев занимает гораздо меньше времени, чем альтернативные методы. Более совершенные спектрометры располагают для этой цели соответствующим программным обеспечением, что значительно облегчает проведение факторного анализа благодаря управлению через меню.

В 1951 г. Чанс предложил новый метод измерения мутных проб в биохимическом анализе — измерение по принципу двойной длины волн [3.3]. Хотя этот метод используется в первую очередь для быстрого и точного измерения небольших изменений поглощения при двух установленных длинах волн в мутных суспензиях, он годится и для измерений в прозрачных растворах. При этом не следует путать «двойную длину волн» с «двойным лучом», при котором измерения поглощения проводятся при двух длинах волн для определения концентрации с помощью симультанных уравнений.

При измерении по принципу двойной длины волн свет посредством двух монохроматоров с дифракционной решеткой разлагается в два луча. Исходящие от двух решеток лучистые потоки с разной длиной волны претерпевают под действием вращающегося секторного зеркала сдвиг во времени и последовательно друг за другом проходят через одну и ту же ячейку с раствором пробы. Измеряется разность поглощений ΔА между длинами волн λ₁ и λ₂. Таким способом удается точно измерить даже очень малое изменение поглощения пробы при использовании полной шкалы.

Из рис. 3.12 видно, что детектор, синхронизированный с частотой вращающегося секторного зеркала, принимает, всегда попеременно, λ₁ и λ₂. При этом сигнал λ₁ есть опорный сигнал, а λ₂ - собственно сигнал исследуемой пробы. Используя все возможности электронных способов, можно растянуть шкалу поглощения в 100 раз. Благодаря этому обстоятельству данный метод особенно благоприятен для измерений совсем небольших количеств вещества, а также для наблюдения субстанций в области минимальной поглощающей способности.

При традиционной фотометрии полное поглощение А пробы измеряется обычно при длине волны λ путем сравнения со стандартной пробой, как показано на рис. 3.13. Если же раствор пробы содержит еще и другой фон, вызванный помутнением или взаимно влияющими друг на друга компонентами, то определение искомых веществ уже не возможно. Собственно измерения полного поглощения для количественного определения тех или иных компонентов не требуется. Поэтому в фотометрии по принципу двойной длины волн измеряется разность поглощений ΔA между двумя длина волн λ₁ и λ₂, так что никакой стандартный раствор здесь не нужен. Важнейшим необходимым условием для этого является линейность или пропорциональность между измеренными сигналами и концентрацией искомых компонентов. Таким способом удается путем выбора подходящей комбинации из двух длин волн устранить многие виды фоновых помех.

Как видно из рис. 3.14, при методе двойной длины волн используется только одна измерительная ячейка. Благодаря этому полностью исключается множество так или иначе связанных с ячейками ошибок и погрешностей — например, вероятность отклонения от заданного положения или от константы ячейки и появления различий между раствором пробы и стандартным раствором (по мутности, концентрации и проч.). В результате того, что проба сама используется в качестве стандартного раствора, при спектроскопии по принципу двойной длины волн сокращаются до минимума проблемы, вызываемые рассеянием, неравными длинами волн и разными концентрациями реагентов.

В случае пробы со сравнительно сильным поглощением и четко выраженным рассеянием удается обнаружить даже ничтожно малые изменения в поглощении. Тогда можно обойтись без разбавлений и фильтраций, обычно требуемых для подготовки проб при традиционной фотометрии. Путем сканирования (растрирования) двойных длин волн с близкими значениями λ₁ и λ₂ получаются производные спектры.

При измерении двойной длины волн можно легко и точно, без всяких вычислений, анализировать многокомпонентные системы одновременно — посредством эквиабсорбционного метода. Так, на основе содержащей вещества А и В двухкомпонентной пробы измеряются оптические плотности при λ₁ и λ₂ с получением разностной оптической плотности:

Если второй компонент В при обеих длинах волн λ₁ и λ₂ показывает такое же поглощение, то есть E_B(λ₁) — E_B(λ₂) = 0, то уравнение упрощается и принимает вид:

Поскольку разностная оптическая плотность ΔΕ теперь уже не зависит от концентрации компонента В, то концентрацию компонента А можно определить независимо от концентрации компонента В. Такой эквиабсорбционный метод представлен на рис. 3.15.

Если не удается найти две подходящие длины волны, при которых оптические плотности не анализируемой компоненты В равны, можно воспользоваться методом усиления сигнала, когда разные величины оптической плотности компоненты В компенсируются электронным способом в самом устройстве.

В случае дифференциальной спектроскопии сравниваются в ходе измеряемых и эталонных лучей два раствора, каждый из которых содержит компоненты, вызывающие основное поглощение, причем раствор в ходе измеряемых лучей дополнительно еще содержит собственно пробу [3.4]. Здесь следует напомнить о том, что при образовании разности двух достаточно сильных поглощений ни в коем случае не устраняются проблемы, связанные с паразитным излучением. Высокое самопоглощение растворителя снижает интенсивность I₀ которую приходится компенсировать до появления шумов путем соответствующего усиления на детекторе.

В производной спектроскопии представлены три разных метода, при которых или оптическим путем, или через аналоговый сигнал, или посредством прямой компьютерной обработки преобразованного в цифровую форму аналогового сигнала формируется производная [3.5]. Так как при оптических способах всегда можно получить только первую производную, на данный момент обсуждению подлежат лишь аналого-электронные и цифро-вычислительные способы. Но в любом случае следует помнить о том, что производная сигнала не повышает уровень информативности, но лишь максимально уточняет уже полученные ранее результаты [3.6]. Эти возможности используются, например, при перекрывающих друг друга пиках или при незначительных изменениях сигналов на весьма слабо изогнутых

При проведении типовых лабораторных анализов, например для определения концентрации или контроля чистоты, выбирается преимущественно спектроскопия УФ/видимой области, позволяющая получить простым и быстрым способом точные результаты исследования. Рутинная аналитика означает регулярное использование определенного метода анализа, причем, как правило, с большим количеством разных проб. В настоящее время отмечается бесспорная тенденция к созданию условий по доставке аналитического прибора к исследуемой пробе, а не пробы к прибору. В качестве ключевого понятия здесь выступает термин «децентрализация». Достаточно простые анализы проводятся прямо на рабочем месте, то есть непосредственно на производстве, а не транспортируются в центральную лабораторию. Понятно, что это экономит и время, и деньги. В свою очередь, центральная аналитическая лаборатория разгружается от примитивной повседневной работы и может эффективнее использоваться для решения более сложных задач.

Основной предпосылкой правильного фотометрического измерения можно считать наличие надежной высококачественной оптики. Соответствующие характеристические параметры, как то: малый рассеянный свет, высокая фотометрическая точность и хорошая долговременная стабильность, — могут быть просто позаимствованы из спецификаций оборудования. Знание этих данных позволяет сделать правильный выбор в пользу тех или иных фотометров от разных изготовителей [3.7].

Не менее важное значение имеет также наиболее подходящая для поставленной аналитической задачи реализация метода и, наконец, простота и надежность проведения анализа. Это возможно лишь при условии, что процесс определения будет недвусмысленным и ясным, с четкой идентификацией образцов и наглядным представлением результатов. Все больше возрастает сегодня роль таких факторов, как удобство обслуживания и правильная расшифровка полученных данных [3.8]. Выбор оптимальной длины волны для количественного определения осуществляется в современных спектрометрах с программным управлением. Из спектров стандартов, а также репрезентативных проб с матрицей выбирается длина волны, дающая наилучшие результаты с точки зрения линейности, точности, избирательности и воспроизводимости [3.9].

В каждодневной работе аналитической лаборатории применяются обычно самые разные фотометрические методы, которые могут различаться на уровне длин волн, некоторых факторов, а иногда и других параметров. Современные устройства с микропроцессорным управлением либо работающие в сочетании с ПК дают возможность сохранения отдельных методов измерения на любой по длительности срок. При необходимости можно запросить из памяти ПК тот или иной метод и немедленно начать процесс измерения — без новой установки соответствующих параметров [3.10]. Само собой разумеется, что предварительно придется потрудиться над созданием наиболее подходящих методов анализа для решения конкретных аналитических задач.

Собственно анализ проводится достаточно быстро и не требует каких-либо специальных знаний. Но определенная квалификация нужна, в частности, специалистам, занятым разработкой перспективных методов, составлением и проверкой надежности градуировочных графиков. При этом иногда оказывается весьма полезным обеспечение надежной зашиты в отношении программы, метода и функции калибровки во избежание возможного некомпетентного вмешательства. Создатель того или иного метода может тогда передать «закрытый» в электронном смысле прибор менее опытному коллеге, которому тогда останется только запрашивать нужные методы и запускать их в дело. Для этого достаточно вставить кювету в фотометр и нажать пусковую клавишу. Подобные анализы можно проводить вдали от центральной лаборатории и без текущего специализированного контроля.

Наряду с нормальной регистрацией спектра рекомендуется осуществлять и циклическое снятие спектра со свободно выбираемыми интервалами — для наблюдения за изменениями спектра во времени. Представление производных спектров с помощью современных спектрометров не составляет проблемы. Для кинетических исследований предлагается регистрация оптической плотности во времени при выбранной измеряемой длине волны. Программирование длин волн дает возможность проводить измерения пробы при многих длинах волн. Соответствующая программа для длин волн находит применение, например, при контроле степени чистоты веществ и материалов.

Концентрационные измерения занимают в рутинной аналитике одно из важнейших мест. На основе оптических плотностей и относящихся к ним стандартных концентраций прибор выполняет необходимые вычисления и составляет соответствующий градуировочный график. Для более сложных измерений, то есть в случае мутных проб и сложных смесей, существуют разные, иногда достаточно дорогостоящие, способы измерений, целесообразно реализуемые с помощью компьютеризованных программ расшифровки.

Простейшую интерпретацию обеспечивает анализ на основе одной длины волны, причем оптическая плотность обычно измеряется в максимуме спектра с последующим вычислением концентрации. Если требуется определить какое-то вещество при наличии фона, то должна быть проведена коррекция базовой линии. В зависимости от положения последней может быть выбран метод двойной или тройной длины волн. В то время как при измерении по принципу двойной длины волны базовая линия проходит параллельно оси абсцисс, при измерении с тройной длиной волны производится коррекция базы по прямой между двумя опорными длинами волн λ₁ и λ₂, слева и справа от измеряемой длины волны. Из рис. 3.17 видно, что при этом возможна не горизонтальная коррекция базовой линии.

Особый способ определения концентрации представлен на рис. 3.18, где концентрация вычисляется по площади полос поглощения. С этой целью регистрируется спектр образца. Прибор интегрирует площадь полос между двумя определяемыми длинами волн λ₂ и λ₂, вычисляя отсюда концентрацию. Такой способ хорошо зарекомендовал себя прежде всего в отношении проб, резкий максимум которых может сдвигаться под действием эффектов растворителя.

Вторая производная спектра есть испытанный метод количественного определения веществ в сложных матрицах (см. рис. 3.19). Здесь используется то обстоятельство, что расстояние между соседними максимумом и минимумом пропорционально концентрации вещества. Такой метод успешно применяют, в частности, при измерении концентрации в мутных пробах и в многокомпонентных системах. Эта вторая производная не зависит от фоновой оптической плотности, так что с помощью данного метода достигается точное определение концентрации даже при комплексных матричных эффектах.

Повышенные требования к разрешению, как и возрастающий интерес к измерениям в относительно широком интервале длин волн, послужили толчком к совершенствованию конструктивных исполнений и появлению новых концепций при разработке спектрометров. Создание спектрального фотометра с диодной матрицей стало безусловным прогрессом в области современной инструментальной аналитики. По сравнению с традиционными спектральными фотометрами с их последовательной регистрацией спектральных данных, с помощью приборов с диодной матрицей удается получить полный спектр одновременно при всех длинах волн. С этой целью проба просвечивается лампами с непрерывным распределением энергии, после чего свет спектрально разлагается в монохроматоре с дифракционной решеткой и проецируется на уложенные в ряд фотодиоды. Одновременно регистрируемые при этом спектральные данные сохраняются в памяти ЭВМ и затем последовательно считываются в виде спектра с выводом на экран ПК или графопостроитель [3.11].

Очевидным преимуществом для пользователя является при этом высокий темп получения результатов: регистрация полного спектра при длине волн 190—800 нм длится всего 0,1 секунды. Целый ряд несомненных достоинств по сравнению с традиционными приборами способствовал в конечном счете тому, что теперь устройства с диодной матрицей в большинстве случаев не только успешно заменяют общепринятое оборудование, но и во многом превосходят его.

Как в лабораторной диагностике, так и в области контроля качества по-прежнему широко практикуется спектроскопия УФ- и видимой областей как один из наиболее быстрых методов. В связи с заметным улучшением характеристик используемой при этом оптики развернулась дискуссия на тему большей либо меньшей пригодности одно- или двухлучевых способов. В итоге рынок ограничился небольшим числом обладающих более качественной оптикой двухлучевых спектрометров. Но одновременно популярность в области стандартных измерений начали завоевывать и доступные по цене компьютеризованные однолучевые приборы.

Диодные матрицы благодаря их быстродействию стали конкурентоспособны сначала только в области лабораторных химико-аналитических исследований. Но в целом их разрешение по длинам волн считалось не особенно хорошим, а фотометрическая линейность, в частности в УФ-области, недостаточно убедительной. Это, безусловно, связано и с тем, что на первых порах диодные матрицы как оптоэлектронные конструкционные элементы разрабатывались в меньшей степени спектроскопистами, а в большей — инженерами полупроводниковых технологий. Когда же оказалось, что они особенно подходят для решения проблем в хроматографии и их внедрение открывает совершенно новые возможности расшифровки результатов измерений, к ним стал проявлять повышенный интерес рынок оборудования для спектроскопии в УФ- и видимой областях [3.12].

Первоначально все преимущества новой техники по причине высокой стоимости приборов использовались относительно небольшим числом специализированных лабораторий. С течением времени обнаружилось, что диодные матрицы могут находить применение не только в традиционных целях: открылось множество специальных областей, реализуемых исключительно на основе быстрого обнаружения с привлечением миниатюризованных элементов диодной матрицы.

В результате сопряжения со световодами (оптическими волноводами) они — после успешных испытаний в области лаковых покрытий — стали интересны и для многих других специальных отраслей. Такой успех привел даже к тому, что со световодами начали соединять обычные спектрометры последовательного действия, которые благодаря этому стали конкурировать с диодными матрицами, особенно в сфере измерений в отраженном свете.

Так как при обработке полученных спектральных данных никак не обойтись без ЭВМ, здесь активно использовались достижения другой области аналитики. Программное обеспечение позволяет внедрить множество прогрессивных способов, в том числе для проведения многокомпонентного анализа, оценки производных, сравнения и вычитания спектров, вычисления отношений, составления смешанных спектров и обработки статистических данных. Повышенные требования к «хорошей лабораторной практике» и ужесточение законодательных актов в области контроля продукции, например в фармацевтической промышленности, в немалой степени способствовали тому, что давно известные способы статистической обработки результатов анализа внезапно приобрели огромную популярность и широкое распространение.

Сегодня приборы с диодной матрицей от разных изготовителей предлагаются по цене, вполне сравнимой со стоимостью традиционного оборудования. Рынок насыщен компьютеризованными однолучевыми спектрометрами для самых разных областей применения, равно как и регистрирующими двухлучевыми устройствами и диодными матрицами различного качества и назначения. При этом, наряду с лабораторной аналитикой и клинической диагностикой, возрастает и значение диодных матриц, в частности в сфере хроматографии, проверки качества, контроля процесса и в еще довольно молодой области — сенсорике [3.13].

С помощью световодов свет доставляется прямо на место проведения измерения, а оттуда направляется к детектору. Это позволяет обойтись без традиционных операций: заполнения кюветы пробой и размещения ее в специальной камере спектрометра. Сочетание световодов со спектрометрами УФ- и видимой областей дает своеобразную «портативную» кювету, позволяющую проводить измерения на анализируемой пробе либо прямо в ней. Необходимая для этой цели измерительная головка, призванная максимально точно выполнять функцию кюветы, называется погружным зондом, или оптодом (оптическим электродом).

Понятно, что при таком способе работы значительно сокращаются затраты на взятие проб, их подготовку и доставку. При оптимальном использовании световодов в сочетании со спектрометрами основные оптические спецификации системы измерения, как то: фотометрическая точность, шумы фона и разрешение, — максимально приближаются к характеристикам основного прибора. Применение световодов послужило толчком к внедрению ряда инноваций, прежде всего в области техники связи, где за последние годы произошли колоссальные изменения. Это касается как предлагаемых новых материалов для оптических волноводов, так и технологий в сфере телекоммуникаций и обработки данных. Благодаря такому прогрессу появились условия для новых трендов в сфере создания оборудования для инструментальной аналитики.

Интегрирование моноволокон и жгутов оптических волокон с совершенно новыми оптическими системами либо их адаптация к уже существующим спектрометрам открыли перед аналитиками широкие возможности исследования образцов за пределами спектрального прибора. При способе измерения непосредственно в исследуемом материале были в значительной степени удовлетворены запросы пользователей в отношении измерительных систем, работающих в режиме реального времени либо по принципу встроенных блоков [3.14].

Во многих производственных отраслях для управления и наблюдения за процессами требуется разнообразная и максимально полная информация, что служит гарантией обеспечения постоянно высокого качества продукции. Все более жесткие законодательные акты требуют наличия значительно более точных и более разнообразных аналитических методов исследования. В стремительно расширяющейся сфере аналитики объектов окружающей среды, которой придается все большее значение на фоне непрерывно ужесточающихся экологических требований и строгих норм утилизации бытовых и промышленных отходов, объем проводимых исследований растет как снежный ком. Очевидно, что это связано с весьма существенными затратами и средств, и времени.

При этом полученные результаты должны быть надежными и недвусмысленными, и их следует без проволочек передавать производственникам с целью принятия срочных и адекватных мер. С учетом огромного числа требуемых анализов представляется немаловажным удерживать стоимость их проведения в определенных рамках. В такой ситуации ускоренные способы на основе готовых продуктов все чаще дополняют собой менее подверженные воздействию помех, но более затратные методы по нормам ДИН. Специально для проведения анализов воды рынок предлагает огромный выбор самых разных приборов и методов [3.18], так что разброс цен здесь чрезвычайно велик. Готовые тесты очень просты и удобны в обращении и дают быстрый результат. Простота таких методов позволяет работать с ними даже сотрудникам без большого опыта лабораторной практики.

С одной стороны, аналитика проникает в пока еще малодоступную сферу определения следовых количеств благодаря внедрению усовершенствованных хроматографических, спектрофотометрических и электрохимических способов; с другой стороны, обработка множества аналитических данных в разных местах требует создания ориентированных на практические условия аналитических систем. Они должны помочь любому заинтересованному пользователю — при разумном соотношении цены и качества — успешно применять точные и селективные методы анализа. Ускоренные фотометрические способы позволяют проводить надежные определения с меньшим аппаратным оснащением, чем это требует, например, разделение по методу хроматографии. Правда, в первом случае, учитывая трудоемкую пробоподготовку, приходится считаться с более высокой стоимостью расходных материалов и более значительными затратами труда. С другой стороны, фотометрические способы вполне годятся благодаря использованию фотометров с батарейным питанием для проведения анализов прямо на рабочем месте [3.19].

В типовой аналитической лаборатории наиболее часто требуемые параметры лучше всего определять с помощью полностью механизированных лабораторных автоматов. Для этой цели промышленность предлагает отличное оборудование с набором соответствующих реагентов. Подлежащие определению следы (либо нежелательных загрязнений в матрице, либо полезных добавок) требуют специальных методов анализа. Одним из наиболее популярных способов в рамках аналитического определения следовых количеств считается концентрирование и изолирование следовых элементов и их последующая идентификация фотометрическим методом.

Для выполнения того и другого этапов данного способа предлагаются органические реагенты, образующие с определяемыми веществами интенсивно окрашенные комплексы. На высокой селективности и очень большой чувствительности, отличающих данные реагенты, основаны многочисленные фотометрические методы анализа. Для таких случаев промышленность предлагает различные варианты быстрого определения следов веществ в водных растворах: это могут быть тесты в кюветах и специальные наборы для ферментативных и фотометрических тестов в сочетании с переносными ручными аналитическими устройствами. В водонепроницаемом исполнении и при наличии батарейного питания такое оборудование вполне пригодно для использования даже в полевых условиях.

Спектроскопия УФ- и видимой областей стремительно развивалась в последние десятилетия, достигнув уровня стандартного лабораторного метода, предназначенного, в частности, для проведения количественных анализов, и считается сегодня одним из самых быстрых приемов аналитического исследования. На фоне отмечаемого в последние годы прогресса произошло значительное усовершенствование оборудования коммерческого назначения, что сделало его максимально удобным для пользователя. Поскольку пробы измеряются почти исключительно в разбавленном растворе, их подготовку можно назвать минимальной. Вода, прозрачная в интересующем диапазоне длин волн от 190 до 800 нм, является в этом смысле практически идеальным растворителем, обеспечивая чрезвычайно широкую область применения в самых разных отраслях.

Весьма сильны позиции спектроскопии УФ- и видимой области именно в количественной аналитике — фотометрии. Анализы, проводимые в реальном масштабе времени при использовании кювет с прокачкой, и интегральные анализы с оптическими электродами весьма просты в исполнении. Оснащенные микропроцессорами фотометры в сочетании с готовыми наборами реагентов служат основой для простых и быстрых способов анализа — без общепринятого лабораторного комплекта для аналитических исследований. Такая методика, усиленная устройствами на батарейном питании, находит широкое применение также в сфере набирающей популярность аналитики непосредственно на рабочем месте. Компьютеризованные спектрометры позволяют реализовать даже программы расшифровки с линейной и нелинейной коррекцией базовой линии в целях определения концентраций даже в очень сложных матрицах.

Регистрация спектра УФ- и видимой областей происходит очень быстро, а вот результаты качественного анализа, то есть сведения о том, какое вещество в данный момент исследуется, создают, в отличие от ИК-спектроскопии, значительные трудности, поскольку полученные спектры лишь в редких случаях являются характеристическими для исследуемого соединения. Отрицательно сказывается тот факт, что существует целый ряд соединений, например парафины, которые в УФ-области спектра до длины волны 190 нм не обнаруживают характеристических поглощений. С другой стороны, имеется слишком много факторов, так или иначе воздействующих на УФ/видимую область спектра. Хромофоры — группировки, вызывающие избирательное поглощение электромагнитных колебаний в УФ-области, не столь легко поддаются идентификации на основе простых правил или методов. В принципе УФ- и видимая области спектра дают тем больше информации, чем «сложнее» структура исследуемого вещества. Спектр со многими полосами, простирающийся вплоть до видимой области, показывает, например, наличие длинного сопряженного хромофора либо полициклического ароматического хромофора. В то же время соединение только с одной полосой или меньшим их количеством при длине волны ниже 300 нм предположительно содержит всего два или три сопряженных структурных элемента.

В соответствии с установленными требованиями предлагаемый модельный ряд приборов включает в себя от вполне доступных по цене малогабаритных фотометров до обладающих высоким разрешением двухлучевых устройств с достаточно дорогостоящей оптической системой. Среди традиционного оборудования различают одно- и двухлучевые спектрометры. При этом однолучевые исполнения требуют меньшего числа оптических компонентов и механических узлов (делитель пучка и зеркало). Поэтому с точки зрения цены они значительно благоприятнее и отличаются пониженным износом. Правда, здесь не исключены проблемы в отношении стабильности ламп и усилительной электроники.

Высокоэффективные спектрометры последовательного действия предлагаются в виде двухлучевого исполнения, что позволяет заметно улучшить ситуацию с долговременной стабильностью ламп, детектора и электроники. Но с учетом гораздо более сложного хода лучей и при наличии деления пучка приходится использовать более интенсивные лампы и более дорогие оптические компоненты — для достижения сигнала такой же силы, что и в случае однолучевых приборов. Тем не менее последовательные двухлучевые устройства продолжают утверждать себя в сфере проведения специальных исследований, например, в случае сложных многокомпонентных анализов. Благодаря возможности любого изменения ширины щели, регулирования ослабления, усиления и скорости регистрации, а также весьма благоприятному отношению сигнал/шум данная измерительная техника все активнее используется для самых изысканных спектроскопических исследований. Но при этом скорость подачи ограничивается примерно 2400 нм в минуту с учетом длительности цикла между измеряемым и эталонным лучами. Спектральное разрешение будет тем хуже, чем больше становится разность длин волн между двумя ходами лучей.

Если у традиционных приборов длина волны последовательно проходит через пробу по ширине спектральной полосы, заданной выходной шелью монохроматора, и затем измеряется детектором, то у мультиплексных устройств наблюдается сразу весь спектр. При этом диодные матрицы должны отличаться от приборов, функционирующих по принципу Фурье-преобразования.

У диодных матриц 512 либо 1024 отдельных фотодиодов размещены рядом в одной ячейке. Свет от монохроматора веерообразным пучком падает на диодную ячейку, после чего каждый отдельный фотодиод может быть отнесен к определенной длине волны или, соответственно, к узкому интервалу длин волн. В результате этого спектральная информация одновременно попадает на детектор, правда, затем она считывается опять последовательно. В силу значительного удешевления диодных матриц они все чаше стали вытеснять стандартные приборы последовательного действия.

Благодаря диодным матрицам в последние годы на рынке появились новые системы, у которых оптические пути между отдельными компонентами и приемником шунтируются световодами, что позволяет получить удобные модульные конструкции. Тогда становится возможным также измерение в отраженном свете, что вызывает большой интерес, прежде всего в области исследования твердых образцов (особенно в случае тонких слоев) или жидкостных пленок с малой толщиной слоя. При этом отдельные лучи, отраженные на поверхностях раздела этих слоев, приводят к интерференциям, из которых черпается информация о физической толщине слоя и оптических свойствах тонких слоев.

Разработки на основе диодных матриц дают толчок к увеличению числа диодов с меньшим темновым током и лучшей динамикой сигналов при более низком пределе их обнаружения. Время измерения и считывания значительно сократилось. Оптические многоканальные системы представляют собой высококачественные диодные матрицы с высокой чувствительностью и хорошим временным разрешением, причем для кинетических измерений возможно разрешение до наносекундного диапазона. Кроме того, ожидается расширение области спектра дальше длины волны 1100 нм в ближней И К. Это можно только приветствовать, поскольку здесь предполагаются интересные применения, в частности в сфере производства продуктов питания.

Устройства, действующие по принципу преобразования Фурье, открывают дальнейшие перспективы применения мультиплексных методов. Принцип Фурье-преобразования успешно развивается в ИК-спектроскопии, а вот в УФ- и видимой областях спектра предлагаются пока лишь дополнительные устройства, функционирующие преимущественно в ближней И К.

В спектрометрах задействованы микропроцессоры для задач управления, сбора и обработки данных. В современные спектрометры обязательно встроен микропроцессор для выполнения функций управления. Кроме прочего, следует различать устройства с внутренним блоком обработки данных, включая монитор, и устройства, снабженные присоединением для внешнего вычислительного блока. Но при этом необходимо позаботиться о том, чтобы передача информации между спектрометром и управляющей вычислительной машиной не оказалась критической по времени. Эта проблема возникает, в первую очередь, в случае спектрометров с диодной матрицей, так как у этих приборов при быстром чередовании спектров, например в процессе обработки кинетических данных, вся информация в течение миллисекунд должна быть передана на диодную ячейку.

Способы расшифровки результатов на уровне многокомпонентного анализа или кинетических алгоритмов довольно медленно внедряются в спектроскопию УФ- и видимой областей. Благодаря использованию диодных матриц с чрезвычайно эффективными вычислительными машинами или терминалами обработки данных алгоритмам интерпретации спектров практически нет предела. При многокомпонентном анализе на основе калибровочных спектров осуществляется вычислительным путем количественное определение долей отдельных компонентов в смеси. Возможны также более скрупулезные расчеты и моделирования. Диффузная спектроскопия в отраженном свете находит применение при анализах в тонкослойной хроматографии. Направленное отражение приобретает все большее значение в области исследования качества поверхности и процессов коррозии.

Терминалы обработки данных готовы к созданию значительно более совершенной среды пользователя и большего числа алгоритмов расшифровки результатов. Хотя спектроскопия УФ- и видимой областей предлагает — по сравнению с ИК-спектроскопией — меньше информации на уровне специфичности молекул, тем не менее и в этой области спектра можно ожидать появления алгоритмов поиска, разработанных для библиотек спектров и банков данных.

Несмотря на все описанные выше прогрессивные тенденции, остается бесспорным тот факт, что возможности использования спектрометра с точки зрения анализа результатов и введения их в банки данных обусловлены производительностью применяемых вычислительных машин и их программного обеспечения, а качество спектрометра определяется его оптикой. Это означает, что изготовитель должен предлагать оборудование и с хорошим качеством оптики, и с самой современной цифровой электроникой.

Любое горячее тело посылает тепловое излучение, обусловленное энергией движения атомов и молекул. В отличие от этого, люминесценцией называют такое излучение, которое вещества испускают после предварительного возбуждения без всякой помощи тепловой энергии. Следовательно, о люминесценции можно говорить, когда какие-либо вещества светятся при обычной температуре среды, причем подобное излучение вызывается не температурой излучающего тела. Здесь также не исключен вариант, что возбужденная молекула безызлучательно передает свою энергию другим молекулам, которые затем испускают свет. В зависимости от того или иного механизма возбуждения возможны разные виды люминесценции (см. табл. 4.1).

Хемилюминесценция есть излучение света в результате химической реакции, чаще всего окисления. Молекула возбуждается, то есть она поглощает энергию. При отдаче этой энергии она либо светится сама, либо передает свою энергию другой молекуле, которая затем излучает свет. Хемилюминесценция генерируется синтетическими химикатами. Типичными люминогенами являются, например, акридиновый эфир, люминол, люкугенин и лофин. Биолюминесценция есть особая форма хемилюминесценции в живых организмах вроде бактерий и светящихся насекомых. Для биолюминесценции требуются энзимы (например, люциферазы) и субстраты (например, люциферины) [4.1].

У фотолюминесценции различают - в зависимости от продолжительности процесса излучения - флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция возникает, когда участвующие возбужденные состояния имеют в качестве исходной точки для фотоэмиссии среднее время жизни порядка 10^-8 с; фосфоресценция имеет место, когда это время составляет более 10^-3 с. В последнем случае не редкостью считается и средняя продолжительность от несколько секунд до нескольких часов.

Рассмотрим подробнее эти два явления и их использование в измерительной технике. УФ- и видимая области спектра являются важнейшими для флуорометрии. Оптическая флуорометрия, именуемая также флуоресцентной спектроскопией, ограничивается, следовательно, интервалом длин волн примерно от 200 до 2000 нм. Поглощение излучения в этом диапазоне поднимает электроны с самой внешней электронной оболочки (валентные электроны) на более высокий, возбужденный энергетический уровень. Эту подведенную энергию молекулы могут вновь отдавать посредством безызлучательной дезактивации, разложения, реакций или посылки света.

Итак, флуорометрия — это эмиссионная спектроскопия, которая находит применение как в качественной, так и в количественной аналитике. При известных компонентах можно по уровню сигнала сделать заключение об их концентрации, неизвестные же вещества идентифицируются путем сравнения спектров.

При большом числе химических соединений флуоресценция вообще не обнаруживается.

Поглощенная энергия в большинстве случаев вновь отдается путем безызлучательной дезактивации, причем следует делать различие между межмолекулярными и внутримолекулярными процессами. К внутримолекулярным процессам относят столкновения второго рода, при которых энергия возбуждения при соударении с другими молекулами принимается ими в виде кинетической или колебательной энергии («тушение флуоресценции»). Представляется, что дезактивация вообще не флуоресцирующих веществ должна осуществляться на основе так называемых предиссоциационных процессов. Это возможно, поскольку энергия возбуждения достигает величин энергии разрыва соответствующей связи.

Итак, фотолюминесценция наступает только у органических соединений, содержащих электроны π-связей.

В силу характеристических свойств электронов π-связей эти соединения не требуют большой энергии для оптического возбуждения, но имеют, с другой стороны, столь стабильную систему связи, что не диссоциируют в условиях возбуждения. При значительно большем числе флуоресцирующих органических веществ речь идет об изо- и гетероциклических соединениях с ароматическими системами связи. Почти все ароматические углеводороды отличаются сильной флуоресцентной способностью, которая, однако, нередко значительно снижается в результате ввода заместителей. В частности, заместители нитро-, карбонокислотной, SH-групп и родственные им почти полностью «тушат» флуоресценцию ароматических углеводородов.

Наряду с короткоживущей флуоресценцией со средней продолжительностью затухания 10^-8 с, у многих органических соединений обнаруживается излучение с продолжительностью затухания в несколько секунд. Для такого почти произвольно возникающего разделения существует точное физическое обоснование. Большая разница во времени жизни объясняется тем, что в случае флуоресценции речь идет о синглет-синглетных, а в случае фосфоресценции — о триплет-синглетных переходах. Фосфоресценция связана с долгоживушим метастабильным состоянием, достигаемым безызлучательно после возбуждения из первичного возбужденного состояния.

При комнатной температуре большинство молекул находится на низшем колебательном уровне основного состояния S₀. В результате поглощения энергии молекулы могут достигать либо первого возбужденного состояния S₁ либо второго возбужденного состояния S₂ При нормальных «разрешенных» поглощениях, время перехода у которых составляет всего 10^-15с, вероятность излучательного перехода столь велика, что среднее время жизни этих возбужденных состояний находится в диапазоне от 10^-9 до 10^-8 с.

Если переход осуществляется из возбужденного состояния А* в основное состояние А в результате того, что энергия возбуждения ΔΕ отдается в обращении абсорбционного процесса путем излучения света относящейся сюда частоты v, то можно говорить о флуоресценции:

С принятием во внимание исключительно электронного возбуждения можно было ожидать, что длина волны флуоресценции точно совпадает с длиной волны поглощения, как это бывает при эмиссии возбужденных атомов (резонансная флуоресценция). Однако в экспериментах с флуоресценцией молекул наблюдают обычно длинноволновое смешение относительно абсорбции, происходящее с участием атомных колебаний (правило Стокса).

В результате возбуждения молекула может достигать любого из колебательных уровней, которые следует воспринимать как подуровни отдельных возбужденных состояний. После того как молекула поглотит энергию и достигнет одного из верхних колебательных уровней возбужденного состояния, она вследствие соударений очень быстро теряет избыток колебательной энергии и вновь падает на низший колебательный уровень возбужденного состояния (рис. 4.1).

Дополнительно почти у всех молекул, населяющих состояние выше состояния второго рода, осуществляются внутренние переходы из нижних колебательных уровней более высокого возбужденного состояния на обладающие близкой энергией более высокие колебательные уровни более низкого возбужденного состояния. Здесь молекулы вновь теряют колебательную энергию вследствие соударений, пока не достигнут низшего колебательного уровня первого возбужденного состояния. Такое внутреннее преобразование осуществляется безызлучательно, продолжительность этих внутренних переходов составляет около 10^-12 с.

После такой безызлучательной дезактивации молекула при переходе из первого возбужденного состояния на один из колебательных уровней основного состояния может отдавать высвобождающуюся энергию в форме света. Наблюдается флуоресцентное излучение, смешенное относительно поглощения к более длинным волнам, то есть к «красной» области спектра, и, следовательно, к меньшей энергии. Никакого сдвига к красному не происходит при «резонансной флуоресценции», например в случае атомов. У атомов не может быть распределения энергии на другие степени свободы, допустим, на колебания.

Так как энергетические интервалы между колебательными уровнями при электронно-возбужденных состояниях являются часто энергетическими интервалами между более низкими электронными уровнями, то это приводит к образованию симметричных спектров для поглощения и эмиссионного излучения соединения. Переход из низшего колебательного уровня основного состояния на низший колебательный уровень первого возбужденного состояния, так называемый 0-0-переход, в энергетическом отношении одинаков при явлениях поглощения и излучения. Поэтому оба спектра — поглощения и флуоресценции — имеют полосу 0-0-перехода. Все прочие переходы при поглощении требуют больше энергии, чем любой переход при флуоресцентном излучении. Полосы эмиссионного излучения сдвинуты относительно полос поглощения, соответственно меньшим полосам их энергетических уровней, примерно зеркально-симметрично 0-0-переходу (рис. 4.2).

Поэтому теоретически все спектры поглощения и спектры излучения флуоресценции должны перекрываться при длине волны, соответствующей 0-0-переходу. В действительности же 0-0-переходы при поглощении и излучении совпадают крайне редко. Это объясняется тем, что в интервалах длин волн, где абсорбционные и эмиссионные спектры пересекаются, происходит частичная реабсорбция излученного света, которая зависит от концентрации поглощающего вещества и толщины слоя, приводя - из-за ослабления коротковолновых составляющих излученного света - к длинноволновому сдвигу полос флуоресценции без установления различий в собственно разностях термов для 0-0-переходов при абсорбции и эмиссии.

Поглощение энергии для первого возбужденного состояния лишь незначительно влияет на форму молекулы. Это означает, что распределения колебательных уровней в основном состоянии и в первом возбужденном состоянии очень похожи. Следовательно, энергетические интервалы между полосами эмиссионного излучения идентичны таковым между полосами поглощения. Поэтому спектр флуоресценции нередко становится зеркальным отражением спектра поглощения.

Так как излучение флуоресценции всегда вызывается переходом из низшего колебательного уровня первого возбужденного состояния, то внешние формы спектра излучения всегда одинаковы и в принципе не зависят от длины волны возбуждающего света. Графическое представление интенсивности излучения на оси у относительно длины волны, отложенной на оси х, при заданной постоянной длине волны возбуждения обозначают как спектр флуоресцентной эмиссии. Если изменить длину волны светового возбуждения и отложить интенсивность излучения пробы относительно длины волны возбуждения, получится спектр возбуждения флуоресценции.

Если, несмотря на меняющуюся длину волны возбуждения, удерживать на постоянном уровне интенсивность возбуждающего света, то это будет специальный «скорректированный спектр возбуждения», поскольку он скорректирован из расчета на неизменяющуюся энергию возбуждения. Квантовый выход большинства органических молекул в принципе не зависит от длины волны возбуждающего света и определяется только коэффициентом экстинкции, или мольным коэффициентом поглощения, для соответствующего соединения. При этом спектр возбуждения с постоянной энергией возбуждения, то есть скорректированный спектр возбуждения, соответствует спектру поглощения того же вещества.

С точки зрения измерительной техники, о которой речь пойдет ниже, флуоресцентная фотометрия может быть до четырех раз чувствительнее абсорбционной фотометрии.

Флуоресценция и фосфоресценция существенно различаются по времени затухания. Если излучение флуоресценции затухает в течение 10^-9—10^-6 с, то при появлении фосфоресценции световое излучение длится дольше возбуждения на период от 10^-4 до 100 с. Объяснение такой разницы во времени затухания следует искать в электронной теории.

При возбуждении электронов обычно сохраняется их момент количества движения, или момент импульса (спин). У пар электронов с противоположными спинами при возбуждении сохраняется в большинстве случаев и их четность. Но может произойти переориентация возбужденного электрона, и тогда образуется молекула с неспаренными спинами. Согласно квантовой теории, такая молекула может существовать в трех формах энергии, то есть она находится, как принято говорить, в триплетном состоянии. Прямой переход из основного состояния в триплетное с точки зрения квантовой теории запрещен. Весьма вероятный процесс переориентации спина может осуществляться только в результате так называемой спин-орбитальной связи, то есть при взаимодействии спина электрона с его орбиталями. Триплетное состояние достигается исключительно на основе перехода из возбужденного синглетного состояния равной энергии.

В то время как возврат из синглетного состояния в основное в случае флуоресцентного излучения происходит легко и быстро, возврат из триплетного состояния в основное затруднителен, так как при этом вновь должна произойти переориентация спина. Связанное с этим запаздывание излучения света и есть фосфоресценция.

Следует различать два типа фосфоресценции: излучение, протекающее преимущественно при повышенной температуре и по своему спектру совпадающее с флуоресценцией, — высокотемпературная, или α-фосфоресценция, и длинноволновое, наблюдаемое только при низкой температуре излучение, — низкотемпературная, или β-фосфоресценция (см. рис. 4.3).

При α-фосфоресценции молекула из метастабильного триплетного состояния в результате поглощения тепловой энергии вновь возвращается в возбужденное состояние S₁, откуда теперь осуществляется обычное излучение флуоресценции, которое, однако, в силу промежуточного пребывания возбужденной молекулы в метастабильном состоянии Т запаздывает по сравнению с нормальной флуоресценций.

При наблюдаемой в большинстве случаев β-фосфоресценции переход в основное состояние осуществляется прямо из возбужденного метастабильного триплетного состояния. Поскольку в триплетном состоянии молекула обладает меньшей энергией, чем в соответствующем синглетном состоянии, то при этом излучается меньше световой энергии. Таким образом, излучение β-фосфоресценции всегда происходит в интервале более длинных волн, чем излучение флуоресценции (рис. 4.4).

Но, поскольку молекулы способны относительно долго оставаться в триплетном состоянии, создаются условия для того, что они начинают терять свою энергию не только в результате фосфоресценции, но и другим путем. Особенно активно тушат фосфоресценцию соударения с молекулами растворителя, чаще молекулы с неспаренными электронами, например кислород, даже в минимальных концентрациях чрезвычайно эффективны при тушении фосфоресценции. Поэтому фосфоресценция растворов при комнатной температуре считается достаточно редким феноменом.

Фосфоресценцию можно наблюдать только при замораживании молекулярного движения, ибо лишь в этом случае сохраняется триплетное состояние и проба приводится в «замедленное свечение». Это может произойти в результате охлаждения пробы до очень низких температур в соответствующем сосуде Дьюара. Способ генерации фосфоресценции при комнатной температуре основан на адсорбции пробы, размешенной на твердой поверхности, например на фильтровальной бумаге. Эта твердая матрица в значительной степени ограничивает возможность молекул вступать в реакцию с кислородом.

Флуорометрия отличается высокой чувствительностью и большим диапазоном линейности, действует без разрушения образца и для измерения не нуждается в большом количестве вещества. Проблемы при флуорометрическом анализе сложных проб связаны прежде всего со спектральными наложениями и тушением флуоресцентного свечения.

Интенсивность и спектральное распределение флуоресцирующих веществ чрезвычайно зависят от внешних влияний — температуры, вида связи или вязкости растворителя. Особенно сильно воздействует на флуоресценцию растворитель, то есть непосредственное химическое окружение вещества, причем с возрастанием полярности флуоресцентное излучение ослабевает. Весьма важны с аналитической точки зрения разные механизмы передачи энергии от возбужденной молекулы на соседние молекулы, которые затем начинают флуоресцировать. Здесь различают электронно-обменный механизм, прямую передачу энергии посредством фотонов и резонансный переход. Последний способ основан на том, что энергия возбуждения может передаваться на большие расстояния безызлучательно, то есть без обходного пути через световые кванты.

По сравнению с абсорбционной спектроскопией, при которой коэффициент поглощения может определяться в качестве единственного параметра, флуоресцентная спектроскопия обладает гораздо большей информативностью. Она позволяет проводить измерение множества независимых друг от друга параметров (среди них: квантовый выход флуоресценции, время жизни возбужденного состояния) и осуществлять целенаправленное тушение флуоресценции подходящими вспомогательными средствами.

Принцип флуорометрии заключается в том, что вещество возбуждается источником света, после чего интенсивность флуоресцентной эмиссии измеряется как функция длины волны возбуждения и эмиссионного излучения. В отличие от абсорбционной спектроскопии, при измерении флуоресценции всегда рассматриваются две длины волн — длина волны возбуждения и длина волны эмиссионного излучения. Как и любой спектрометр, флуорометр состоит из следующих основных узлов: источника света с выбираемой длиной волны, носителя пробы и приемника излучения. Дополнительно должна регулироваться длина волны эмиссионного излучения. Как и в абсорбционной спектроскопии, здесь тоже различают фотометры и сканирующие (растровые) флуорометры. Простые устройства используют оптический фильтр для выбора длины волны возбуждения и эмиссионного излучения. Такие фотометры предназначены для количественных анализов.

Для сканирующих приборов требуются монохроматоры с дифракционной решеткой (рис. 4.5). В отличие от классических двухлучевых исполнений в абсорбционной спектроскопии, сканирующие флуорометры выполнены в виде однолучевого устройства. При этом, во-первых, благодаря малому числу оптических компонентов обеспечивается максимально возможное пропускание света; во-вторых, можно выбирать значительно более высокую скорость сканирования, так как при однолучевой системе не надо учитывать переключение излучения с образца на стандарт и обратно, чем существенно ограничивается максимальная скорость. Правда, при однолучевом методе приходится еще корректировать регистрируемые спектры.

Рассеиваемый во все направления пространства флуоресцентный свет детектируется под углом 90° к падающему световому лучу с максимально большим пространственным (телесным) углом. Расстояние между кюветой и детектором должно быть как можно меньше. За счет изменений ширины щели на обоих монохроматорах могут варьироваться спектральные участки пропускания относительно ширины полос спектра. Большая спектральная ширина полосы обеспечивает высокую чувствительность обнаружения для эмиссионного излучения. При малой спектральной ширине полосы лучше разрешается эмиссионный спектр. Удается распознать специфичную для вещества тонкую структуру, причем особенно отчетливо — в случае полициклических углеводородов и их производных.

Однако в целях лучшего детектирования диффузного света с принятием во внимание его интенсивности работа ведется обычно с меньшим, чем при абсорбционной спектроскопии, спектральным разрешением, задаваемым шириной шел и и используемыми рассеивающими решетками. Как правило, находит применение ширина шели 5 нм в ходе лучей возбуждения и от 10 до 20 нм в ходе эмиссионных лучей. Но учитывая, что электронные переходы в случае молекул обычно имеют естественную ширину полосы более 50 нм и обладают в своем большинстве не столь тонкой структурой, как соответствующие абсорбционные спектры, такое пониженное спектральное разрешение вполне приемлемо.

Для регистрации флуоресцентного свечения с как можно большим телесным утлом в качестве детектора применяют почти исключительно фотоумножитель с фотокатодом большой площади. Диодные же матрицы, играющие доминирующую роль в абсорбционной спектроскопии, по причине недостаточной площади детектора подходят меньше, несмотря на все преимущества мультиплексности.

В принципе для возбуждения флуоресценции используются те же источники излучения, что и в абсорбционной спектроскопии, то есть либо излучатели с непрерывным распределением энергии (ксеноновые лампы), либо линейные излучатели (ртутные спектральные лампы). Наиболее распространенным источником излучения считается ксеноновая лампа, дающая непрерывный спектр. Ртутные лампы высокого давления обладают большей интенсивностью, но их энергия распределяется по отдельным спектральным линиям, что не позволяет выполнять измерение спектров возбуждения.

Варьирующая в зависимости от длины волны интенсивность возбуждающего излучения компенсируется электронным способом. Для этого с помощью светоделителя одна часть монохроматического света возбуждения направляется к счетчику квантов, который измеряет интенсивность, а другая часть света возбуждает пробу. В качестве счетчика квантов используются кремниевые фотодиоды.

Так как большинство определяемых флуорометрическим способом веществ представлено в растворе, для проведения измерения необходимы жидкостные кюветы. Наряду с материалом для кювет и выбранным растворителем внимания заслуживает также геометрическая форма кюветы в ходе лучей флуорометра. Поскольку флуоресцентное излучение расходится во все направления пространства, то в принципе возможен его прием из всех направлений, однако следует иметь в виду, что для значительной части измеряемых разбавленных растворов всегда существует некое предпочтительное направление. С точки зрения техники измерения лучше всего принимать излучение флуоресценции под прямым углом к возбуждающему излучению. При такой геометрии сводится к минимуму нежелательная доля рассеянного излучения через стенки кюветы и растворитель. Подобная схема находит применение практически у всех флуорометров. Исходя из этих соображений, выбирается, как правило, кювета квадратной формы, поскольку этот тип считается оптимальным в смысле точности толщины слоя и плоскопараллельности.

При размерах, с которыми светопоглощение измеряемого раствора становится больше, выходящее из кюветы излучение флуоресценции становится все меньше, пока не достигнет точки, в которой будет наблюдаться разве что флуоресценция самого крайнего, внешнего, слоя поверхноста кюветы. В этом случае измерение все еще возможно, даже если доля рассеянного по стенкам света станет весьма значительной (рис. 4.7). Поверхностная эмиссия стремительно приближается к своему предельному значению, то есть возрастающая концентрация пробы не вызывает усиления флуоресцентной эмиссии.

Некоторые коммерческие приборы предлагаются в комплекте с принадлежностями для определения поверхностной эмиссии. Наряду с возможностью разбавления пробы не стоит упускать из виду и способ применения, особенно если оптическая плотность раствора пробы в области флуоресценции превышает 0,1 единицы.

Для измерения флуоресценции на твердых веществах (пластмассы, лаки) могут вводиться специальные добавки, с помощью которых определяется поверхностная эмиссия. Как и в абсорбционной спектроскопии, в области флуорометрии тоже заметно набирают популярность световоды, причем световодные флуоресцентные датчики непрерывно измеряют флуоресценцию анализируемого вещества, позволяя действовать прямо на месте (определение in-situ).

В связи с тем, что число соударений между молекулами пробы (люминофорами) и молекулами растворителей зависит от температуры, этим параметром определяется и само флуоресцентное излучение. В растворах свободно движущиеся люминофоры быстро соединяются с другими и могут таким образом значительно осложнить спектральное определение. В самом худшем случае флуоресценция полностью подавляется. При комнатной температуре причиной уширения спектральных линий является в большинстве случаев неоднородность растворителя: это состояние окружения каждого люминофора, нежелательным образом изменяющее естественную ширину линий его спектрального поведения. В спектре флуоресценции следствием этого будет уширение и взаимное наложение полос.

Итак, с повышением температуры флуоресцентная эмиссия уменьшается.

Необходимо поэтому проводить измерение проб по возможности при постоянной температуре. Для достижения точных измерений температура проб остается на постоянном уровне благодаря термостабилизированному держателю кюветы. У большей части веществ достаточно следить за тем, чтобы разность температур между кюветой и камерой образца была как можно меньше. Поскольку нагревание этой камеры происходит в первую очередь от источника излучения, последний должен быть отделен от нее надежной термоизоляцией. Недостаточная воспроизводимость измеренных параметров часто объясняется именно непостоянством температуры. В целях повышения чувствительности измерения целесообразно прибегают к охлаждению используемых проб.

Если в конце концов достигается охлаждение до температуры жидкого азота (точка кипения — 196°С), то большинство растворителей — в том числе и углеводороды — затвердевают. В этой твердой матрице люминофор из-за столкновения молекул уже не получает неоднородного уширения линий. Безызлучательные переходы при низких температурах минимизированы, так что у ряда веществ вообще может наблюдаться только флуоресценция.

Вместо широких полос у низкотемпературных спектров в затвердевшей матрице появляются многочисленные узкие пики, которые могут быть отнесены к отдельным электронным переходам. Понятно, что благодаря такому спектру высокого разрешения с хорошо разрешенными полосами идентификация веществ протекает более успешно. При столь совершенной методике низкотемпературная флуоресценция приобретает особое значение.

Лазерное излучение отличается высокой интенсивностью и точностью частоты, заметно превосходящими эти характеристики у всех иных источников излучения. Лазер позволяет осуществлять целенаправленное возбуждение степеней свободы молекул, вызывать тем самым необходимые реакции, после чего исследовать продукты реакций на предмет их возбужденного состояния. Разработка перестраиваемых лазеров высокой интенсивности открыла этим источникам излучения путь в спектроскопию. Высокая спектральная эффективность лазерного излучения обеспечивает максимальную чувствительность, а благодаря острой направленности светового пучка достигается высокое пространственное разрешение вплоть до микрометрового диапазона.

При инициированной лазерным излучением флуоресценции луч лазера используется для возбуждения электронного перехода в молекуле. В качестве источника возбуждающего излучения вполне годятся азотные лазеры с длиной волны 337 нм и перестраиваемые лазеры на красителе для интервала длин волн от 350 до 1100 нм. Лазер чрезвычайно удобен в качестве источника УФ-света, так как обеспечивает высокую плотность энергии и, следовательно, эффективное возбуждение флуоресценции. Здесь после возбуждения может регистрироваться или спектр возбуждения, то есть вся флуоресценция как функция длины волны посылаемого лазером луча, или спектр флуоресценции, то есть флуоресценция со спектральным разрешением.

Индуцированная лазерным излучением флуоресценция отличается очень высокой чувствительностью — до единиц в триллионных долях [4.2]. Благодаря чрезвычайно высокой интенсивности лазерного излучения можно возбуждать соединение до уровня «предельной флуоресценции», то есть до достижения равнозаселенности основного и возбужденного состояний. При этом отдельные молекулы могут возбуждаться многократно. На основе избирательного возбуждения определенных электронных состояний вычисляется отношение заселенностей и локальная температура, например в пламени [4.3]. При использовании импульсных лазеров можно получать и спектры флуоресценции с разрешением во времени, что позволяет существенно повысить желаемую селективность.

Важнейшей областью применения флуоресценции, индуцированной лазерным излучением, является определение полициклических ароматических углеводородов, образующихся в процессе сгорания (автомобильные выхлопы, печи для сжигания и др.). Полициклические ароматические углеводороды служат индикатором загрязнения окружающей среды и, учитывая их токсичность и канцерогенность, подлежат строгому аналитическому контролю. Согласно предписанию по качеству питьевой воды, из примерно 200 известных полициклических ароматических углеводородов сумма шести важнейших соединений (бензопирен, фторантен и их производные) не должна превышать предельного значения 0,2 миллиардной доли.

По нормам ДИН 38 407-F8, определение количества полициклических ароматических углеводородов в питьевой воде в стандартном варианте проводится путем разделения по методу высокоэффективной жидкостной хроматографии и обнаружения с помощью флуоресцентного детектора [4.4]. Без дорогостоящего процесса хроматографического разделения можно, пользуясь инициируемой лазерным излучением флуоресценцией, найти суммарный параметр для нагрузки со стороны полициклических ароматических углеводородов. Влияние других флуоресцирующих веществ, входящих в состав воды (гуминовые вещества и хлорофилл), может быть при этом подавлено на основе интерпретации спектров с временным разрешением.

В качестве нового метода предлагается флуорометрия с временным разрешением, где используется разное время жизни флуоресценции отдельных соединений. После возбуждения пробы коротким световым импульсом измерению подлежит либо время тушения флуоресценции, либо флуоресценция в определенный выделенный отрезок времени после отключения светового импульса. Тушение флуоресценции происходит экспоненциально со временем; время спада до половины величины, когда возможно различение отдельных веществ, находится в области наносекунд. Это дает еше один элементно-специфичный параметр для целей идентификации. Путем цифрового согласования кинетики тушения удается определять флуорометрическим методом в том числе и смеси веществ [4.5].

Лазерная спектроскопия с разрешением во времени может успешно применяться при определении полициклических ароматических углеводородов, рассматриваемых как индикатор загрязнения окружающей среды и, с учетом их высокой токсичности и канцерогенности, подлежащих обнаружению в воде на уровне ультраследов. Так как полициклические ароматические углеводороды при возбуждении УФ-излучением флуоресцируют, то через флуоресценцию возможно их обнаружение вплоть до единиц нг/л. Обычно при этом прибегают к разделению полициклических ароматических углеводородов на основе высокоэффективной жидкостной хроматографии [4.6] или планарной хроматографии, после чего количественно оценивают с помощью флуоресцентного детектора. Эти достаточно сложные методы, которые находят применение главным образом в лабораториях высшего класса, специализирующихся на исследовании объектов окружающей среды, могут обходиться совсем простым, разрешенным по времени устройством для измерения флуоресценции. Это позволяет проводить экспрессные анализы загрязненных вод непосредственно на месте, причем с минимальными финансовыми затратами [4.7].

Если флуоресценцию возбуждают светом высокой частоты, то флуоресцентное свечение также модулировано, но со сдвигом по фазе относительно возбуждающего света. При такой технике фазовой флуорометрии тоже можно вычислять время тушения флуоресценции - на основе частоты модуляции и фазового сдвига. Путем изменения частоты модуляции достигается аналитическое определение, в том числе и смесей веществ.

Впрочем, данный метод не получил пока широкого распространения по причине довольно высоких затрат на необходимое оборудование. Однако, учитывая его неоспоримые достоинства и, в частности, быстрое аналитическое определение смесей веществ, есть основания полагать, что рынок все же отреагирует на ситуацию и начнет предлагать вполне доступные по цене флуорометры для этой интересной методики.

Флуорометрия есть достаточно широко распространенный метод аналитического определения, при котором предусмотрено электронное возбуждение вещества от источника излучения с последующим измерением интенсивности флуоресцентной эмиссии как функции длины волны возбуждения и эмиссионного излучения. При этом регистрации подлежит либо интенсивность флуоресцирующего анализируемого вещества, либо обусловленное этим веществом изменение флуоресценции флуоресцентного индикатора.

На основе флуорометрии можно получать как количественные, так и качественные результаты, причем этот метод отличается высокой чувствительностью и большим диапазоном линейности, действует без разрушения образца и требует для своей реализации минимального количества вещества. Но, как и любой другой способ следового анализа, он нуждается в особой тщательности проведения измерения. Пробы могут быть представлены во всех агрегатных состояниях. При наличии более дорогих и качественных оптических систем легко проводятся также измерения на замутненных, экстремально рассеивающих, пробах.

Для реализации многочисленных возможностей регистрации и расшифровки спектров обязательно необходим присоединенный компьютер, задачей которого является управление монохроматорами и щелью и последующее вычисление скорректированного спектра.

Предлагаемые в области флуоресцентной спектроскопии технические возможности в настоящее время почти столь же многообразны, как велико число занимающихся этой проблематикой ученых. Наряду со стандартным применением флуорометрии появляются новые и все более совершенные методы, например в сфере медицины и экологии.

Благодаря привлечению лазеров в качестве источника возбуждающего излучения удается значительно повысить интенсивность результирующей флуоресценции. С помощью индуцированной лазерным излучением флуоресценции можно на несколько порядков понизить предел обнаружения, что открывает новые перспективы в деле определения мельчайших следов значимых для окружающего мира веществ (пример: озон). Сопряжение со световодами создает условия для проведения измерений на пробах в тяжело доступных местах. Метод флуорометрии с разрешением во времени обеспечивает возможность одновременного распознавания сразу нескольких веществ в смеси — без предварительного разделения ее на отдельные компоненты.

Инфракрасное излучение было открыто В. Гершелем в 1800 г. Первые систематические регистрации ИК-спектров выполнялись У. Кобленцем уже в 1905 г., но только к середине 40-х годов метод был поставлен на коммерческую основу. При этом сначала речь шла исключительно о методе количественного анализа, который использовался, прежде всего, в производстве синтетического каучука. И только после создания двухлучевого спектрометра были осознаны, наконец, исключительные возможности ИК-спектроскопии для идентификации и определения строения вещества. Первый двухлучевой спектрометр был сконструирован в 1939 г. Э. Лерером (ф. BASF, Баденская содово-анилиновая фабрика) [5.11]. Одновременно с этим газовая хроматография сделала столь мощный рывок в своем развитии, что теперь именно этот метод стал самым популярным в области количественного анализа органических веществ.

С внедрением двухлучевых спектрометров инфракрасная спектроскопия используется главным образом для простого и быстрого проведения качественного анализа. Количественные определения здесь несколько отошли на задний план, и только сейчас к ним вновь обратились благодаря заметному улучшению чувствительности приборов.

В 50-е годы спектры приходилось регистрировать еще от точки к точке с помощью гальванометра, составлять реестры спектров и проводить их сравнение путем механической сортировки перфокарт. Первоначальные призменные монохроматоры, учитывая оптическую прозрачность в инфракрасной области спектра, нужно было изготавливать из монокристаллов NaCl (!). Эти приборы обладали солидными размерами и, кроме того, нуждались в эффективной защите диспергирующего излучение элемента от действия влаги. С началом использования дифракционных решеток в качестве монохроматора удалось значительно уменьшить габариты спектрометров до уровня настольного прибора.

В 1887 г. Альберт А. Майкельсон из Чикаго изобрел двуплечный интерферометр, названный впоследствии его именем. Интерферометр Майкельсона является сегодня базовым конструкционным узлом всех современных ИК Фурье-спектрометров. В 1907 г. Майкельсон получил Нобелевскую премию в области физики за созданные им прецизионные оптические приборы и выполненные с их помощью спектрометрические работы.

Вообще говоря, свое начало Фурье-спектроскопия ведет от 1957 г., когда под руководством Пьера Жакино, пионера в области использования преобразования Фурье, состоялся международный коллоквиум на тему «Пути развития интерференционной спектроскопии». Тогда еще никто ясно не представлял, как именно действует новый метод и какое значение будет иметь его дальнейшее развитие. Некоторые даже говорили, что такая техника никогда не будет работать и что достаточно рискованно осуществлять регистрацию спектров столь сложным и непрямым способом. Между тем уже в 1968 г. был создан первый коммерческий И К Фурье-спектрометр.

В интервале длин волн от 2,5 до 50 мкм происходит возбуждение колебательных движений атомов в молекуле и вращательного движения молекулы в целом. Спектры, записанные в этой области, которая называется средней И К, дают информацию о строении молекул исследуемого вещества. Поскольку атомы способны колебаться абсолютно по-разному, в ИК-спектре обычно имеется большое число полос поглощения. Сравнивая спектр образца со спектрами из библиотеки — либо составленной самим пользователем, либо приобретенной в готовом виде, — можно идентифицировать вещество, причем в настоящее время спектральный поиск ведется с помощью компьютерных программ.

Атомы внутри молекулы находятся в движении благодаря наличию взаимных атомных связей. Они колеблются с определенными (резонансными) частотами, величина которых определяется атомным весом и силой химической связи. Из-за очень малых размеров молекул резонансная частота составляет порядка 10¹³ с^-1, что соответствует 10 миллиардам колебаний в секунду. Если сравнить это с колебанием пружины средней жесткости весом 1 кг, то такая пружина должна была бы колебаться с частотой около 1 с^-1.

Каждая молекула способна выполнять колебания множеством разных способов. Чем больше атомов содержит молекула, тем больше вариантов колебаний существует. Формы колебаний определяются структурой молекулы и являются специфическими для нее. Частота инфракрасного излучения составляет тот же порядок величин, что и молекулярные колебания, — около 10¹³ с^-1. Между ИК-излучением и молекулой возможны взаимодействия и перенос энергии, но только тогда, когда частота излучения идентична частоте собственных колебаний молекулы. Если молекула поглощает это излучение, она колеблется при той же частоте, но с большей амплитудой.

Таким образом, когда инфракрасное излучение с широким спектром частот проходит через пробу, то некоторые частоты поглощаются, в то время как прочие пропускаются без поглощения. Поглощенные частоты соответствуют собственным (резонансным) частотам молекулы либо целочисленному кратному этих частот. Нечто похожее происходит с монохромным светом, который поглощается только в том случае, если его частота идентична соответствующей резонансной частоте в молекуле.

Когда молекула поглощает ИК-излучение, количество энергии в ней возрастает, и она начинает колебаться более интенсивно. Но это возбужденное состояние длится совсем недолго. Очень скоро возбужденная молекула в результате столкновений вновь отдает избыток своей энергии соседним молекулам, что проявляется в повышении температуры пробы.

Многоатомная молекула обладает большим числом всевозможных колебаний, в которых принимают участие все ее элементы. Некоторые из этих колебаний в первом приближении можно рассматривать как локальные, связанные с одиночными связями либо функциональными группами (локализованные колебания), в то время как другие воспринимаются как колебания всей молекулы в целом. Локализованные колебания могут быть валентными, ножничными, маятниковыми, крутильными или веерными. Метиленовая группа имеет, например, колебания, показанные на рис. 5.1.

Валентные колебания связей атомов водорода поглощают при высоких частотах, что является следствием малой массы водорода. В иных случаях частоты валентных колебаний следуют правилу: тройные связи поглощают при более высоких частотах, чем двойные связи, а двойные — при более высоких частотах, чем простые одиночные связи. Следовательно, чем больше энергия связи между атомами, тем выше частота валентных колебаний. Деформационные колебания возникают при гораздо более низких частотах, обычно в области «отпечатков пальцев» ниже 1500 см^-1.

Многие локализованные колебания служат для идентификации функциональных групп. Органические молекулы складываются из небольшого числа структурных элементов, каждый раз выступающих в какой-то иной конфигурации, например и т.д. К счастью, взаимодействия между соответствующим структурным элементом и остальной частью молекулы довольно малы, то есть полосы поглощения, появляющиеся в связи с каким-то элементом, всегда находятся — с небольшим отклонением — на том же самом участке спектра. Именно это позволяет определять структурные элементы по имеющемуся ИК-спектру с привлечением соответствующих табличных данных. Поточному положению спектральных полос можно судить о положении структурных элементов относительно друг друга.

Большинство ИК-спектрометров регистрируют спектры в линейной шкале интенсивности пропускания и в линейной шкале волновых чисел (волновое число ν' = 1/л [см^-1]). Волновое число прямо пропорционально энергии колебания, поэтому составные частоты колебаний можно вычислять путем простого сложения.

Колебания скелета молекулы как целого имеют полосы поглощения с относительно низкой энергией менее 1500 см^-1 (с длиной волны больше 6,7 мкм), и их расположение специфично для каждой молекулы. Эти полосы часто перекрываются и затрудняют однозначное отнесение локализованных колебаний ниже 1500 см^-1. Часто здесь наблюдаются полосы, вызванные не основными колебаниями, а составными или обертонами. Составные частоты возникают при наложении двух или более колебаний. Иногда такие полосы имеют определенное значение для диагностики, но обычно особой пользы от них нет.

Таким образом, инфракрасный спектр состоит из двух областей:

Указанная область отпечатков пальцев используется для установления идентичности вещества с эталонным образцом.

Рис. 5.2. ИК-спектр органического соединения

Колебательные спектры возникают при переходах между дискретными энергетическими состояниями колеблющихся и при этом излучающих молекул. Полный анализ всех полос колебательного спектра возможен только для небольших молекул. Более крупные молекулы требуют создания упрощенной модели с отнесением спектральных полос, анализа спектров производных и проведения комплексных итерационных расчетов.

В качестве источника излучения в ИК-спектроскопии чаще всего используют так называемый штифт Нернста или стержень из карбида кремния («глобар»), которые нагреваются электрическим током. Штифт Нернста состоит из смеси оксидов циркония, церия, тория и иттербия и предназначен для спектральной области от 5000 до 400 см^-1, однако он очень быстро изнашивается под действием механических нагрузок. Нагретый до 950 °C глобар обладает достаточно интенсивным и стабильным излучением вплоть до 200 см^-1 и ниже. Излучение достаточно высокой мощности порядка 100 мВт особенно необходимо при использовании энергозатратных методик, к которым относятся, в частности, ИК-микроскопия, измерения в условиях отражения света и особенно сочетание газовой хроматографии с ИК Фурье-спектроскопией.

Все оптические материалы (линзы, кюветы, а ранее — призмы) должны быть прозрачны для ИК-излучения. Стекло и кварц для этой цели не годятся, поскольку они не пропускают инфракрасные лучи. Для используемых прежде призменных монохроматоров призмы изготовлялись из монокристаллов щелочных галогенидов (NaCl, CaF₂, LiF). Со временем эти водорастворимые и гигроскопичные материалы в монохроматорах удалось заменить дифракционными решетками.

Свойства некоторых оптических материалов, которые находят применение в ИК-спектроскопии, приведены в табл. 5.3.

Для определения интенсивности инфракрасного (теплового) излучения применяются способы, позволяющие быстро и с высокой чувствительностью проводить измерения температуры. В качестве детекторов в ИК-спектрометрах раньше использовали термоэлементы или ячейку Голея. Тепловое расширение газа, которым заполнена ячейка Голея, деформирует мембрану, и эта деформация фиксируется с помощью светового указателя.

Кроме «медленных» детекторов на основе термоэлементов или ячейки Голея, существуют и быстродействующие пироэлектрические. В этом качестве в ИК-спектрометрах отлично зарекомендовали себя высокочувствительные, работающие в смежных областях спектра детекторы из InSb и HgCdTe. При наложении их друг на друга получают детектор, так сказать сэндвич-структуры, покрывающий широкую спектральную область от 1 до 18 мкм.

При температуре ниже точки Кюри сегнетоэлектрические вещества типа триглицинсульфата с примесью дейтерированного L-аланина (ДЛАТГС) способны к сильной мгновенной электрической поляризации под действием инфракрасного излучения, когда температура такого кристаллического материала изменяется. Изменение поляризации можно измерить в виде электрического сигнала, если с обеих сторон на поверхности кристалла разместить электроды для образования конденсатора. Этот эффект аналогичен пьезоэлектрическому, когда механическое давление на кристалл вызывает электрическое напряжение в пределах его поперечного сечения. Генерируемое на электродах детектора напряжение возрастает пропорционально температуре. Таким способом формируется сигнал, который линейно зависит от энергии попадающего на детектор излучения. Заметное повышение отношения сигнал/шум достигается при использовании охлаждаемого высокочувствительного фотодиодного детектора на основе твердого раствора HgCdTe (русское сокращение КРТ, по-английски МСТ).

Интенсивность поглощения измеряется, как правило, в процентах пропускания (прозрачности). В этом случае области поглощения проявляются в полученном спектре в виде минимума. Положение полос указывается либо как длина волны λ (в мкм), либо как волновое число ν' (в см^-1), которое определено следующим образом:

Из этих двух способов предпочтение отдается шкале волновых чисел, так как волновые числа, в отличие от длин волн, прямо пропорциональны энергии возбуждения соответствующих колебательных переходов. В этом случае одинаковые интервалы в спектре соответствуют одинаковым разностям энергий. Таким образом, при использовании шкалы волновых чисел удается достаточно легко распознавать полосы поглощения, относящиеся к обертонам и составным колебаниям. При регистрации в шкале длин волн это невозможно. Волновые числа в большинстве случаев не совсем точно называют частотами колебаний, хотя они отличаются от собственно частот множителем 1/с. На рис. 5.7 приведен в качестве примера инфракрасный спектр полистирола.

В принципе спектральные исследования можно проводить во всех агрегатных состояниях вещества (твердом, жидком, газообразном) и в любых консистенциях, в виде пленки или раствора. Способы пробоподготовки и методы измерения в ИК-спектроскопии значительно отличаются от тех, которые используются в УФ и видимой области. Это объясняется, как правило, гораздо более высоким молярным поглощением. Необходимые для анализа количества вещества исчисляются в миллиграммах. Естественно, в случае газов нужна достаточно большая толщина поглощающего слоя, а в случае чистых жидкостей и твердых материалов, напротив, гораздо меньшая, так как плотность поглощающего вещества выше.

Измерение проводится обычно в проходящем свете. Это означает, что окна кюветы, в которую помещается вещество, должны быть прозрачны для инфракрасного излучения. Подходящими для этой цели материалами могут быть щелочные галогениды, например NaCl, КВr и CsJ. Общим свойством этих материалов является их гигроскопичность. Это делает их непригодными для анализа водных растворов, так как в контакте с водой прежде прозрачные окна становятся молочно-мутными. Галогениды серебра (AgCI и AgBr) хотя и нерастворимы в воде, но зато чувствительны к ультрафиолетовым лучам.

Обычным методом исследования в оптической спектроскопии является измерение прошедшего через пробу излучения, то есть речь идет о спектроскопии пропускания. Кроме этого, с помощью ИК-спектрометра можно анализировать также излучение, отраженное от поверхности материала. Исследование поверхности издавна вызывает большой интерес во всех областях аналитического контроля. Идея использования свойств граничных поверхностей для идентификации веществ столь же стара, как и сама инфракрасная спектроскопия. Когда ИК-излучение попадает на поверхность образца, оно или поглощается, или отражается, или диффузно рассеивается. Каждая возникающая при этом компонента излучения разной интенсивности несет в себе определенную спектральную информацию. Для регистрации спектра в условиях отражения были разработаны специальные приемы, в основе которых:

Спектроскопия отражения с очень малой эффективной толщиной слоя относится к довольно сложным методам. Она получила широкое распространение только благодаря появлению Фурье-спектрометров. В результате гораздо лучшего соотношения сигнал/шум удается регистрировать спектры даже при неблагоприятных энергетических условиях. Возможности вычислительной дифференциальной спектроскопии позволили значительно упростить столь важную в условиях эксперимента компенсацию эталонного фона при всех измерениях в отраженном свете. После вычитания поглощения растворителя из спектров растворов получают отличного качества спектры их ингредиентов. Наряду с качественным анализом можно проводить и количественные исследования, пользуясь эмпирическими функциями калибровки.

В условиях отражения успешно регистрируются спектры веществ, не прозрачных для ИК-излучения, анализ которых в иных ситуациях требует весьма трудоемкого подготовительного процесса. К достоинствам этих способов исследования можно отнести простую пробоподготовку (иногда без этой операции вообще можно обойтись) и нечувствительность к толщине слоя. Кроме того, образец при подобных измерениях не разрушается. Поверхность образцов можно изучать бесконтактно в естественных условиях. Спектроскопия отражения способна решить многие и самые разные проблемы — от исследования поверхности металлов до качественных и количественных анализов пластмассы или идентификации следовых количеств органического либо неорганического порошка.

В отражательной спектроскопии существует принципиальное различие между внешним и внутренним отражением. При внешнем отражении проба контактирует с оптически менее плотной средой, чаше всего с окружающим воздухом, через которую и проходит анализирующее излучение. При внутреннем отражении взаимодействие излучения с образцом происходит при контакте образца с поверхностью оптически более плотного диэлектрика.

Уже на протяжении многих лет спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) применяется для исследования поверхностей (покрытий), сильно поглощающих веществ, вязких и волокнистых материалов или резины и стала стандартным методом ИК-спектроскопии [5.12]. Внешнее зеркальное отражение с малыми углами падения является очень удобным методом качественного и количественного анализа тонких слоев, например лаков или полимерных покрытий, нанесенных на отражающие металлические поверхности [5.13]. Если излучение взаимодействует с образцом под достаточно большими углами падения (около 85 градусов), то становится возможным исследование очень тонких слоев вещества, вплоть до моносля.

В то время как отражательная спектроскопия с большими углами падения представляет собой особый случай зеркального отражения, при диффузном отражении свет отражается от поверхности по всем направлениям. Диффузное отражение — это метод анализа микропроб от 100 мкг до 100 нг, который не требует сложной пробоподготовки [5.14].

Главная проблема ИК-спектроскопии для большого числа твердых и пастообразных образцов заключается в том, что они непрозрачны и, следовательно, недоступны для измерения в проходящем свете. В качестве альтернативы предлагаются разные методы анализа в отраженном свете, но и они имеют свои недостатки. Направленное отражение требует наличия зеркально-гладких поверхностей, для регистрации спектра диффузного отражения пробу нередко приходится измельчать и разбавлять, используя КВг, а при методе НПВО надо заботиться о воспроизводимом оптическом контакте с поверхностью сенсорного кристалла.

Фотоакустическая спектроскопия предлагает простой и быстрый метод анализа для большей части названных категорий образцов [5.24]. Так, без всякой пробоподготовки и деструкции удается исследовать твердые и полутвердые образцы. Заменив измерительную ячейку, можно, в зависимости от вида пробы, проводить измерения поглощения, диффузного отражения или пропускания на порошках, пленках, таблетках, отдельных волокнах, а также на вязких и даже жидких пробах. Фотоакустика, которая часто называется оптоакустикой, представляет собой очень чувствительный метод, при котором дополнительно регулируется еще и глубина проникновения излучения в образец [5.25].

Фотоакустический эффект был открыт Александром Беллом в 1880 г. совершенно случайно. Это явление основано на том, что поглощение модулированного ИК-излучения вызывает периодическое нагревание образца. Это приводит к таким же периодическим изменениям температуры пробы и окружающего газа и тем самым к периодическим колебаниям давления, то есть к звуковым волнам. Белл использовал в качестве источника инфракрасного излучения солнечный свет, а в качестве детектора в его распоряжении было только человеческое ухо. Сегодня для приема звукового сигнала используются чувствительные микрофоны |5.26|.

Проба помещается в заполненную газом, герметичную измерительную ячейку для того, чтобы исключить влияние помех окружающей среды, например звуковых волн. Через прозрачное в ИК-диапазоне окно на образец направляется модулированное по интенсивности излучение из интерферометра (рис. 5.25). При этом некоторая часть излучения отражается прямо от поверхности, а другая проникает в образец с экспоненциально убывающей интенсивностью. Образец при этом нагревается в результате поглощения широкополосного инфракрасного излучения. Поглощенное тепло передается поверхности образца и в окружающую газовую атмосферу. С частотой модулированного ИК-излучения образуются волны давления в атмосфере газа, которые могут улавливаться микрофоном. Звуковой сигнал, имеющий привычную форму интерферограммы, предварительно усиливается, и, как стандартный детекторный сигнал в Фурье-спектрометре, обрабатывается дальше и пересчитывается на основе преобразования Фурье в спектр [5.27].

Герметичная газовая камера может быть заполнена воздухом. Более благоприятной в этой ситуации звукопроводящей средой является гелий, что позволяет получить лучшее отношение сигнал/шум. Регистрируемая область спектра ограничивается только материалом входного окна (обычно это КВг). Положение полос сравнимо со стандартными ИК-спектрами. Как и в случае метода НПВО, здесь тоже необходимо учитывать то обстоятельство, что глубина проникновения возрастает с уменьшением волнового числа.

Поскольку при фотоакустическом эффекте сигнал вызывается только поглощенной образцом энергией, то никаких нежелательных помех здесь не бывает либо они очень небольшие. Эффект Христиансена, то есть асимметричное смешение спектральных полос при анализе порошкообразных образцов в проходящем и отраженном свете, возникающее в результате большой разницы в показателях преломления КВr и пробы, в данном случае совсем не проявляется. При использовании фотоакустического детектора в качестве спектра фона используют спектр углеродного образца.

Интенсивность фотоакустического сигнала зависит как от оптических, так и от термических характеристик пробы. Интенсивность тепловых волн, генерируемых ИК-излучением в веществе, при прохождении через образец к его поверхности снижается. С учетом этого следует принимать во внимание наряду с коэффициентом оптического поглощения также и коэффициент теплопроводности образца. Не исключена ситуация, когда зона теплопроводности оказывается меньше глубины проникновения излучения. В этом случае исследуемый образец может обладать оптической прозрачностью, но измеряемая толщина слоя ограничена из-за малого коэффициента теплопроводности. Такая ситуация приводит к возникновению эффекта насыщения.

Так как эффективная теплопроводность образца есть функция частоты модуляции, то при изменении частоты модуляции путем варьирования скорости перемещения отражающего зеркала интерферометра можно проводить исследования на разной глубине проникновения излучения в пробу. Высокая частота модуляции обеспечивает малую глубину проникновения, и наоборот. Используя эту методику, можно, изменяя частоту модуляции, анализировать слоистые системы при соответствующем выборе глубины проникновения.

Несмотря на некоторые особые феномены, возникающие при фотоакустической детекции, этот метод можно считать элегантной альтернативой традиционным способам измерения. В этом случае удается получать спектры высокого качества, пригодные и для количественного анализа. Благодаря переменной глубине проникновения возможно селективное исследование разнообразных систем покрытий.

Инфракрасная спектроскопия уже по самой своей природе может быть отнесена к микроаналитическим методам. Для регистрации спектров твердых образцов с использованием прессования с бромидом калия достаточно, как известно, от 0,1 до 1 мг вещества. При этом диаметр светового пятна на поверхности пробы составляет обычно от 3 до 10 мм. Когда речь идет о том, чтобы отобрать и проанализировать очень небольшой дефектный фрагмент в некоторой партии продукции, могут возникнуть определенные проблемы. В этом случае необходимо использовать микроаналитические методы.

До недавнего времени микроаналитика в ИК-спектроскопии означала анализ образцов диаметром около 0,5 мм и в количестве микрограммов. Меньшие пробы, особенно если речь шла буквально о нескольких частицах, требовали большой подготовительной работы, затраты на которую в рутинной лабораторной практике просто не оправдывали себя. Сначала образец надо было отобрать под микроскопом и зафиксировать на материале, прозрачном для ИК-излучения. Юстировка интересующей области в канале спектрометра с помощью металлических полосок либо диафрагм была порой чрезвычайно затруднительна. Результатом подобных манипуляций были неправильные измерения и ошибочная интерпретация спектров.

Использование специальных фокусирующих устройств не привело к успеху, поскольку время собственно регистрации спектра на современном Фурье-спектрометре составляло лишь малую часть всех временных затрат на пробоподготовку. Кроме того, с обычными фокусирующими устройствами были возможны только измерения в проходящем свете, в то время как многие возникающие проблемы надо было решать с использованием отражения без контакта с образцом.

С появлением инфракрасного микроскопа трудности, связанные с подготовкой образцов и прочими предварительными операциями, удалось преодолеть. Первый ИК-микроскоп появился на рынке уже в 1953 г., но для призменного монохроматора отношение сигнал/шум оставляло желать лучшего. Первый микроскоп, оснащенный высокопрецизионным зеркальным объективом и пригодный как для видимого, так и для инфракрасного света, успешно использовался для спектроскопических исследований в 60-е годы. Однако имевшиеся тогда в распоряжении исследователей призменные и дифракционные монохроматоры были малоэффективны. Это не позволяло в полной мере раскрыть все возможности ИК- микроскопии.

Современные Фурье-спектрометры, благодаря высокому разрешению, большой светосиле и возможности цифровой обработки спектров, значительно повышают чувствительность определения. Поэтому мощный рывок в развитии ИК- микроскопии удалось сделать только в сочетании с Фурье-приборами [5.28]. Первый коммерческий инфракрасный Фурье-микроскоп появился на рынке лишь в 1983 г. [5.29].

Данная методика является определенным шагом вперед не только в плане юстировки образцов и регистрации спектров, но и в процессе пробоподготовки. Стали возможны измерения как в проходящем, так и отраженном свете. Размеры образца менее 10 мкм в диаметре уже не являются проблемой. Фактически размер пробы ограничен только дифракцией используемого инфракрасного излучения в интервале длин волн от 2 до 17 мкм.

Разумеется, процесс подготовки именно микропроб требует особой тщательности. Обработка каждой отдельной частицы может занять иногда несколько часов. При этом в большинстве случаев исследователь отказывается от техники микропрессования и размещает частицу прямо на прозрачной для ИК-излучения подложке, прижимая ее, например, к только что расщепленному кристаллу бромида калия.

Границы между отдельными аналитическими методами все больше стираются, особенно в результате комбинирования разных инструментальных приемов. Например, именно благодаря разнообразным вариантам сочетания с хроматографическими способами разделения спектрометрическая техника отлично зарекомендовала себя в роли универсального детектора при анализе отдельных веществ в смеси органических соединений. Особо следует упомянуть соединение газовой хроматографии с Фурье-спектроскопией. Этот пример отчетливо показывает, сколь весомый вклад внесла электронная обработка данных в дело развития и совершенствования инструментальной аналитики. Многие известные технические решения были бы немыслимы без фантастических возможностей современной электроники.

Все Фурье-спектрометры должны располагать высокопроизводительной ЭВМ для выполнения Фурье-преобразования, причем спектр в этом случае переводится в цифровую форму. Прямым следствием использования электронной обработки данных стала возможность временного сохранения спектров в оперативной памяти (ОЗУ) компьютера или их долгосрочное хранение на магнитном носителе. При хранении преобразованных в цифровую форму спектров необходимо исключить всякую вероятность потери информации. Это приобретает особую важность в критических случаях, например при использовании дифференциальной спектроскопии. Поэтому в качестве стандарта для хранения спектров рекомендуется шаг по волновому числу в 1 см^-1.

Наряду с сохранением и воспроизведением спектров, важной задачей электронной обработки данных является также улучшение их качества. Добиться этого можно путем повышения отношения сигнал/шум либо применения ряда математических функций (растяжение, сглаживание, коррекция базовой линии) при обработке спектра. Отношение сигнал/шум в ИК-спектроскопии в силу естественных причин значительно ниже, чем при других спектроскопических методах. Уменьшение шума требует особого внимания. Улучшения здесь можно добиться путем повторной регистрации и суммирования спектров с последующим формированием среднего значения (усредненного сигнала).

Часто искажения в ИК-спектрах возникают в результате наложения фонового поглощения. Обычно это можно скорректировать математическим способом, используя две или несколько опорных точек и вычитая затем фон из исходного спектра. Такая компьютерная коррекция базовой линии способствует увеличению информативности спектра.

Таким образом, ЭВМ может существенно улучшить качество эксперимента и наглядность представления ИК-спектров. И после этого начинается решение собственно аналитической задачи, касающейся, например, подлинности продукта. Как раз в этой области на основе накопленного опыта по разработке подходящего программного обеспечения удалось добиться решительного прогресса. В первую очередь наличие высокопроизводительных и удобных в обращении программ сделало настольные ПК незаменимым инструментом в ИК-спектроскопии [5.38].

Ранее идентификацию неизвестных образцов приходилось проводить либо на основе визуального сравнения их спектров с инфракрасными спектрами хорошо изученных веществ (вспомним «область отпечатков пальцев»), либо путем интерпретации ИК-спектра по известным корреляционным правилам или таблицам. Но и то и другое, если это делать вручную, требует больших затрат времени. Компьютер же способен в течение нескольких секунд сравнить спектр незнакомого образца с И К-спектрами из библиотеки, записанной на дискете или жестком диске. Но при этом всегда приходится искать компромисс между успехом поиска, необходимым для этой цели объемом сохраненной информации, требуемым местом в памяти и скоростью проведения поиска [5.39].

В результате библиотечного поиска получают список веществ, имеющих близкие спектры, то есть отбираются спектры с самой малой суммой отклонений от исходного. Если спектр незнакомой пробы содержится в библиотеке, то он отличается от других найденных спектров меньшей суммой погрешностей. После распечатки списка совпадений спектры с самыми низкими суммами погрешностей загружаются из библиотеки в компьютер и для сравнения с исходным спектром все вместе отображаются на экране дисплея либо выводятся на графопостроитель. В результате можно однозначно установить, идет ли речь об идентичном или только о похожем спектре. Если спектр неизвестного образца отсутствует в библиотеке, то находят ближайший к нему, то есть получают в большинстве случаев ссылку на класс соединения. В случае же смесей, как правило, находят их основные компоненты по сходству с библиотечными спектрами. Тогда из спектра смеси вычитают найденный в библиотеке спектр и получают спектр остаточного вещества, в отношении которого вновь можно провести библиотечный поиск.

Перед началом спектрального поиска можно ввести дополнительные сведения: температуры плавления и кипения, показатель преломления и плотность. Это позволяет целесообразно использовать уже известную информацию и повысить шансы на успех поиска. Распечатка списка совпадений, помимо названия соответствующего соединения, содержит также приведенные выше физические параметры.

Кроме этого, предлагаются программы автоматической интерпретации спектров. Эти программы составляют список частот полос поглощения, который пользователь может отредактировать (например, чтобы исключить частоты поглощения растворителей). На основе этих данных затем проводится собственно интерпретация спектров. В результате выдается распечатка, в которой указана вероятность присутствия определенной функциональной группы.

Высокая информативность инфракрасных спектров и их разнообразие уже давно сделали ИК-спектроскопию одним из важнейших методов анализа. При этом образцы могут исследоваться в их естественном окружении при всех возможных физических условиях. Несмотря на появление множества новых измерительноаналитических приборов, ИК-спектрометры, как и прежде, остаются основным элементом оснащения химико-аналитической лаборатории. Современные ИК-спектрометры стали компактнее, надежнее и одновременно эффективнее. Интенсивно ведется работа по созданию ИК-спектрометра карманного формата. Разработки в этом направлении могут обогатить сенсорную технику анализа in situ, преобладающую пока только в электрохимии.

Наблюдаемые полосы поглощения в инфракрасной области спектра содержат преимущественно информацию о внутренних движениях молекул, то есть колебаниях и вращениях. Почти каждое химическое соединение имеет свой собственный спектр, который невозможно перепутать ни с каким другим, так что вещества можно идентифицировать по «отпечаткам пальцев». Одновременно химически и структурно близкие соединения имеют много похожих и общих признаков в ИК-спектре, поэтому незнакомые соединения можно определять по аналогичным спектрам известных веществ. Наряду с качественным анализом, ИК- спектроскопия при соответствующей калибровке вполне подходит и для проведения количественных измерений.

Благодаря использованию техники на основе преобразования Фурье удалось значительно расширить информационные возможности спектров. В результате достижения на порядок лучших пределов обнаружения и высокой скорости регистрации в сочетании с использованием ПК были открыты новые области применения ИК-спектроскопии, которые до сих пор были абсолютно недоступны традиционным дисперсным системам.

Цены на Фурье-спектрометры укладываются сегодня в категорию цен, принятых еще несколько лет назад для продвинутых моделей дифракционных спектральных приборов. В результате, благодаря решающему преимуществу мультиплексности и постоянно растущему удобству обслуживания, Фурье-спектрометры сумели полностью вытеснить с рынка столь популярные в былые времена дифракционные приборы.

Применяемый в этих приборах двухплечевой интерферометр на основе разности оптического пути двух широкополосных, направленных перпендикулярно друг к другу инфракрасных лучей генерирует И К-сигнал с модулированной интенсивностью — интерферограмму. Эта регистрируемая детектором интерферограмма является функцией подвижного зеркала и, следовательно, пропорциональна времени. С помощью аналого-цифрового преобразователя такой сигнал преобразуется в цифровую форму, после чего вновь переводится компьютером в зависимую от частоты функцию интенсивности излучения.

Основные достоинства методики на основе преобразования Фурье состоят в том, что, во-первых, все длины волн регистрируются детектором одновременно (преимущество мультиплексности) и, во-вторых, световой поток не ограничен узкой щелью (преимущество в светосиле). Благодаря использованию необходимого для Фурье-преобразований компьютера, который переводит спектр в цифровую форму, открывается масса новых возможностей применения современных систем электронной обработки данных. В результате накопления и сохранения спектров удается даже в самых неблагоприятных условиях получить отличные спектры большой информативности.

Развитие И К Фурье-спектроскопии открыло перед химиками-исследователями абсолютно новые области применения. На основе сравнения эталонных спектров из цифровой библиотеки со спектром неизвестного образца можно определить его состав или подобрать самые близкие к нему аналоги. При недеструктивной идентификации веществ путем сравнения их спектров инфракрасная спектроскопия как универсальный метод не имеет себе равных, поскольку может быть использована независимо от агрегатного состояния и растворимости исследуемого соединения. Объем предлагаемых на коммерческой основе библиотек спектров постоянно растет.

В смесях отдельные компоненты последовательно удаляются из записанного суммарного спектра в результате математического вычитания. При достаточной прозрачности матрицы удается определять даже следовые количества компонентов на уровне ppm. С помощью инфракрасного Фурье-микроскопа можно зарегистрировать спектры частиц диаметром менее 10 мкм, даже если их абсолютное количество не превышает уровня нанограммов. При этом, как правило, используется только малая часть мощности излучения, обычно проходящего через стандартное пространство размещения образца.

Столь же энергетически ограниченными являются и разные способы измерений в отраженном свете, такие как методы диффузного и зеркального отражения и полного внутреннего отражений. В сфере аналитических исследований производственных процессов и технологий эти методы переживают сегодня многообещающий взлет, так как являются универсальным средством качественного и количественного анализа любых видов основных и побочных компонентов в жидких и порошкообразных материалах.

В спектре ближней ИК-области электронные возбуждения удается наблюдать лишь в некоторых особых случаях. Так как возбуждение основных молекулярных колебаний возможно только выше 2700 нм, то в ближнем ИК-диапазоне проявляются вторичные колебания. Для большинства органических функциональных групп полосы основных колебаний наблюдаются в средней ИК-области, а в ближней мы имеем дело преимущественно с обертонами и составными частотами колебаний СН-, ОН- и NH-групп. Таким образом, теоретические основы метода вполне соответствуют общим принципам ИК-спектроскопии. Что же касается используемой приборной техники и процессов приготовления образцов, то в этом отношении существует большее сходство как раз со спектроскопией УФ и видимой областей.

Часто составные частоты и обертона появляются еще и в средней И К-области, но там их можно лишь с трудом отличить от слабых полос основных колебаний. А в ближней области наблюдаются исключительно составные полосы и обертона. Здесь проявляются частоты более высокого порядка валентных колебаний СН-, ОН- и NH-групп, соответствующие основные спектральные полосы которых лежат в диапазоне от 2800 до 3500 см^-1. В связи с этим растворителями, достаточно прозрачным в ближней ИК-области, могут быть в основном соединения, не содержащие водорода, например ССl₄.

Обертон колебания возникает при переходе молекулы из основного колебательного состояния на второй или вышележащий колебательный уровень. Следовательно, колебательное квантовое число ν будет иметь значение 2 или больше. Вероятность таких переходов зависит от их мультиплетности. Бинарная комбинация или первый обертон с Δν = 2 менее вероятны, чем основное колебание, но в большей степени вероятны, чем соответствующие третичные переходы с Δν = 3. В соответствии с этим коэффициенты экстинкции и, следовательно, интенсивности поглощения в спектроскопии ближней ИК-области на порядки меньше, чем в средней. Кроме того, спектр в ближней области всегда характеризуется убывающей интенсивностью спектральных полос с ростом волнового числа, так как здесь наблюдаются колебательные переходы более высокой мультиплетности, а вероятности этих переходов уменьшаются.

На практике это компенсируется за счет изменения толщины слоя кюветы в соответствии с диапазоном измерения, то есть с возрастанием волнового числа используются кюветы большей толщины [6.2]. Ближняя ИК-область, в свою очередь, подразделяется на длинноволновый и коротковолновый участки. Коротковолновая часть называется фотографической ИК-зоной.

В качестве примера в табл. 6.1 представлены обертона валентного колебания связи СН хлороформа.

Итак, вероятность перехода для первого обертона в 10-100 раз меньше, чем у основного колебания, что соответствует меньшей интенсивности полос спектра поглощения. Из таблицы видно, что рассчитать примерное положение полос обертонов можно путем простого сложения соответствующих волновых чисел. Правда, эта частота будет в незначительной степени уменьшаться из-за влияния ангармоничности. Для расчета положения полос обертонов справедливо следующее уравнение:

где — частота основного колебания, - частота обертона, χ - коэффициент ангармоничности.

Величина коэффициента ангармоничности для валентных колебаний СН находится в диапазоне от 0,01 до 0,05.

Известное сходство в техническом исполнении спектральных приборов для УФ/видимой и ближней ИК-областей позволяет использовать комбинированный вариант спектрометра для УФ/видимого и ближнего ИК-диапазонов. Источником излучения служит обычно галогенная лампа с вольфрамовой нитью. В роли монохроматора, в зависимости от назначения, используют светофильтры или дифракционные решетки. В отношении спектрометров с диодной матрицей необходимо иметь в виду, что обычные кремниевые диоды могут использоваться только до длины волны 1100 нм. Специальные диоды на основе арсенидов индия-галлия пригодны для длин волн до 1650 нм. Для регистрации излучения в ближнем ИК- диапазоне применяют детектор из сульфида свинца, покрывающий всю ближнюю ИК-область спектра.

Фурье-спектрометры можно легко адаптировать для работы в ближней ИК-области с помощью соответствующих дополнений. При переоснащении в качестве источника излучения требуется галогенная лампа с вольфрамовой нитью, светоделитель из кварца и подходящий детектор. Разрешающая способность интерферометра в этом случае особой роли не играет, поскольку полосы поглощения твердых и жидких проб в ближней ИК-области спектра значительно шире, чем в средней.

Для измерения диффузного отражения укоренилось понятие «отражательная спектроскопия ближней ИК-области». При измерении отраженного света используется интегрирующая сфера (сфера Ульбрихта), позолоченная изнутри и служащая также в качестве образца сравнения (рис. 6.1). Принцип интегрирующей сферы известен уже более 100 лет, но особенно широкое распространение он получил только лет 30 назад с началом разработки стойких покрытий. Сферы Ульбрихта используются для измерения характеристик диффузного отражения и пропускания. Они могут быть покрыты также сульфатом бария, который обладает однородным отражением в диапазоне от УФ до ближней ИК. Один или несколько детекторов располагаются внутри сферы для регистрации рассеяния.

В ближней ИК-области спектра нет достаточно благоприятных условий для определения строения вещества на основе характеристических полос. Число возможных полос здесь очень велико, причем они сильно перекрывают друг друга. Кроме того, и коэффициенты экстинкции, как правило, сильно изменяются, иногда на несколько порядков. По этой причине оказались безуспешными попытки составить корреляционные таблицы для интерпретации спектров применительно к ближней ИК-области, как это принято для среднего диапазона. Но бывают ситуации, когда незначительные структурные различия в соединениях удается определять в ближней ИК-области лучше, чем в средней. К ним можно отнести, например, идентификацию первичных и вторичных спиртовых групп [6.3].

Первоначально спектроскопия в ближней ИК-области наиболее широко применялась в пищевой промышленности, так как многие вещества, входящие в состав зернового сырья, поглощают именно в этой области. К ним относятся протеины, жиры и масла, сахар, крахмал и вода. Поскольку возбуждаются колебания молекулярных фрагментов —ОН, —NH, —СН и —СО, которые обычно присутствуют в ингредиентах продуктов питания, то именно они особенно хорошо регистрируются в спектрах ближней ИК-области. После размалывания образца какого- либо продукта эти вещества определяются без всякого применения химических реактивов. Одновременное определение нескольких компонентов осуществляется с использованием градуировки по контрольным смесям известного состава. Наряду с количественным анализом, регистрация спектра в ближней ИК-области используется в качестве быстрого метода проверки на идентичность при входном контроле продукции [6.4].

Благодаря многообразным преимуществам описанного метода, его значение в химической промышленности постоянно растет [6.5]. Спектроскопия ближней ИК-области как экспрессный способ анализа используется также и при контроле качества мясной продукции. Если при ведомственных проверках чаще прибегают к затратным по времени «мокрым» химическим способам анализа, то спектроскопия ближней ИК-области используется в качестве удобного скрининг-метода [6.6]. Впрочем, в силу действующего законодательства она не может заменить собой утвержденные способы исследования и оценки продуктов питания [6.7].

Многокомпонентные анализы основываются на выделении спектральных полос отдельных веществ с помощью компьютерной обработки. Соответствующая программа устанавливает для каждого отдельного компонента самую оптимальную для него длину волны. По измеренной оптической плотности образцов вычисляются коэффициенты пропорциональности, обычно методом линейной регрессии. После выполненной градуировки можно проводить количественный анализ даже очень сложных смесей, независимо от числа их компонентов. Чрезвычайно простая пробоподготовка и короткое время вычисления позволяют в течение нескольких минут получить результаты количественного анализа, в то время как традиционный анализ занял бы от нескольких часов до нескольких дней. Однако для определения следовых количеств вещества такой способ не годится.

Благодаря малым интенсивностям полос поглощения в ближней ИК-области спектра можно работать с гораздо большей, чем в средней ИК, толщиной слоя. Это обстоятельство серьезно упрощает процесс анализа. Типичная толщина слоя составляет 1-2 мм для неразбавленных веществ и до 10 см для растворов.

Существенным преимуществом спектроскопии в ближней И К-области является возможность использовать стекло или кварц в качестве материалов для окон, которые в этой области должны быть прозрачны. Они гораздо устойчивее по отношению к воде и другим агрессивным химическим веществам, чем необходимые для средней ИК-области материалы, например КВг. Специальное кварцевое стекло для спектроскопии ближней ИК-области пропускает не менее 80% излучения в интервале длин волн от 200 до примерно 3500 нм и не имеет полос, связанных с поглощением ОН-групп. Для измерений при длинах волн более 4000 нм применяют окна из прозрачных для ИК-излучения кристаллов — окиси алюминия и фтористого кальция.

При использовании кварца значительно упрощается работа со световодами, в то время как в средней ИК-области внедрение световодов, с учетом используемых при этом материалов, еще очень ограничено. Поскольку кварц и стекло минимально ослабляют излучение в ближней ИК-области, можно протягивать световоды на расстояния до 200 метров. Специальные зонды обеспечивают при этом измерения вдалеке от кюветного отделения спектрометра, что позволяет осуществлять контроль процессов без отбора проб. Таким способом можно следить за ходом реакций в химическом реакторе без задержек по времени [6.8].

Для количественного анализа в ближней ИК-области можно с успехом использовать метод диффузного отражения, поскольку у длинноволнового излучения потери света в световодах минимальны. Измерения в порошкообразных образцах проводят с помощью специального зонда. Свет от спектрометра по световым волокнам подается в пробу, а отраженный свет возвращается к детектору. Такой метод применяют, например, для обеспечения качества мучных продуктов [6.9]. При размоле муки определенные порции пшеницы с разным содержанием белка смешиваются для получения желаемого состава. При 2180 нм находится полоса поглощения N-H-связи протеина. Содержание белка можно определить по отношению интенсивности отражения на этой длине волны к интенсивности исходного излучения. Выбор аналитической длины волны осуществляется с помощью узкополосных интерференционных светофильтров, смонтированных на вращающемся диске. Относительное измерение интенсивности поглощения исключает влияние колебаний интенсивности источника инфракрасного света на измерение. Определяемое содержание белка передается на автоматический регулятор, который и управляет процессом смешивания муки.

Первоначально отношение к спектроскопии ближней ИК-области было несколько настороженным. При наличии множества полос поглощения и их перекрывании интерпретация спектров оказалась не столь простой, как в среднем ИК-диапазоне. Однако, учитывая явные достоинства метода (доступность материалов для окон, возможность использования световодов и удобную для измерения толщину слоя), предпочтение все чаще отдавалось ближней И К, которая со временем практически вытеснила спектроскопию среднего ИК-диапазона в сфере анализа производственных процессов. В отличие от общей лабораторной аналитики, при анализах в процессе производства речь идет о большом количестве веществ, в отношении которых обычно можно обойтись без интерпретации их спектров. В настоящее время существует два типа измерительных приборов. Спектрометры, служащие для выяснения молекулярного строения вещества (приборы средней ИК-области), и контрольные устройства, то есть мониторы-анализаторы, проверяющие пробы, как правило, в режиме реального времени на наличие определенных компонентов или контролирующие значения тех или иных суммарных параметров (приборы ближней ИК-области).

Аналитический контроль продуктов должен осуществляться максимально быстро, поскольку опасность отклонений от стандарта требует оперативного вмешательства в технологический процесс. В этом плане спектроскопия ближней ИК- области позволяет в значительной степени отказаться от пробоподготовки как таковой, что ускоряет и удешевляет собственно процесс анализа. При определениях в режиме реального времени или в потоке проба направляется по обводной линии в кювету спектрометра либо сопряженный со световодом измерительный зонд вводится прямо в реактор.

При этом не рассматриваются отдельные полосы поглощения, а оценивается весь спектр по нескольким хемометрическим параметрам. Благодаря лучшему отношению сигнал/шум такой подход только укрепляет позиции спектроскопии ближней ИК-области по сравнению со средним диапазоном. Весьма удобные в обращении программы позволяют упростить градуировки при проведении анализа, в том числе и для очень сложных реакционных смесей. Кроме того, хемометрическое программное обеспечение в сочетании с возможностью компьютеризованного управления приборами и устройствами подачи проб позволяют автоматизировать процесс анализа. Это касается как органических, так и неорганических систем. Растворы солей в воде можно контролировать с использованием методики многокомпонентного количественного анализа.

Необходимо, однако, учитывать тот факт, что перед использованием спектроскопии в ближней ИК-области для аналитического контроля производственных процессов требуется порой весьма длительная калибровка и четкое подтверждение ее достоверности. Лучшим вариантом в этом случае будет создание библиотеки спектров подлежащих контролю продуктов. Чтобы обеспечить методу достаточную надежность, для каждого отдельного вещества следует записать серию спектров с разными концентрациями и стандартами в широком диапазоне параметров.

Тенденция широкого внедрения спектроскопии в ближнем ИК-диапазоне обычно не касается центральных аналитических лабораторий, так как подобные анализаторы чаще всего используют непосредственно на месте. При этом пользователи порой отнюдь не являются специалистами, а остаются всего лишь потребителями. Благодаря простоте и удобству обслуживания оборудования в сочетании с компьютерной поддержкой это направление развивается и укрепляется. И здесь, конечно, существует различие между пользователями, обладающими специальными знаниями в области аналитической химии, и пользователями, имеющими опыт работы с автоматическими системами, но без серьезной базовой подготовки по нужным аспектам конкретной отрасли.

Спектры комбинационного рассеяния наблюдаются в том случае, когда монохроматическое излучение падает на молекулы перпендикулярно направлению наблюдения и происходит спектральное разложение рассеянного света. При воздействии видимого или УФ-света электронные орбитали молекул смещаются из своего равновесного положения. Это значит, что электроны колеблются с частотой, равной частоте возбуждающего света. В результате этого они сами становятся источниками излучения, так называемого рэлеевского рассеяния, которое обладает той же частотой, что и возбуждающий свет. Вся поглощенная из первичного излучения энергия вновь отдается во вторичном излучении, поэтому никакого изменения количества энергии молекулы при рэлеевском рассеянии не происходит. Электроны при этом не возбуждаются, а остаются в своем первоначальном конфигурационном пространстве. Предпосылкой этого служит то обстоятельство, что длина волны возбуждающего излучения достаточно сильно удалена от полосы спектра поглощения, обусловленной электронным переходом между двумя энергетическими состояниями молекулы.

Таким образом, основная доля рассеянного света имеет ту же частоту, что и возбуждающий свет. Чем легче смещаются электроны в молекуле, то есть чем выше их готовность к поляризации, тем сильнее деформируются электронные орбитали. Поскольку в случае таких деформаций речь идет преимущественно об электронах, ответственных за установление химической связи и, следовательно, определяющих межатомные расстояния и углы между связями, то с изменением их геометрической структуры может произойти также изменение этих расстояний и углов. Подобное варьирование положения связанных друг с другом атомов или сегментов молекулы приводит к атомным и, соответственно, молекулярным колебаниям. В то время как при ИК-спектроскопии эти колебания возбуждаются, так сказать, напрямую, при спектроскопии комбинационного рассеяния возбуждение осуществляется своеобразным «обходным путем» — путем деформирования электронных орбиталей.

Необходимые для возбуждения кванты энергии отнимаются при этом у падающего излучения. Тогда наряду с рэлеевским рассеянием появляется несколько линий, сдвинутых относительно линии возбуждения на совершенно определенные величины частот. Удаленность этих линий комбинационного рассеяния от линии падающего излучения не зависит от ее частоты. Разности между возбуждающей частотой и частотами этих линий спектра комбинационного рассеяния есть так называемые частоты Рамана, идентичные колебательно-вращательным частотам молекул, которые могут определяться на основе ИК-спектроскопии. В спектре сдвиг частоты комбинационного рассеяния от линии Рэлея указывается в виде волнового числа в см^-1, как и в ИК-спектроскопии. Рисунок 7.1 показывает в качестве примера спектр комбинационного рассеяния тетрахлорметана.

Большая часть рассеянного света имеет частоту падающего излучения и возникает в результате поглощения и вторичной эмиссии. Спектр комбинационного рассеяния состоит из гораздо более слабых линий, относящихся к более высокой и более низкой энергии. Здесь следует различать стоксовы линии, появляющиеся при более низкой частоте, и антистоксовы линии, соответствующие более высоким частотам.

Стоксовы линии наблюдаются, когда при неупругом столкновении между фотоном и молекулой последняя поглощает энергию в размере одного колебательного или вращательного кванта ΔE. Фотон теряет при этом соответствующее количество энергии; согласно отношению ΔΕ = hν, частота сдвигается на величину ν.

Напротив, антистоксовы линии возникают, когда молекула находится как раз в возбужденном колебательном или вращательном состоянии, причем фотон поглощает энергию этого колебательного или вращательного кванта, так что частота линии спектра комбинационного рассеяния будет на v больше частоты линии спектра возбуждающего излучения. Молекула при этом вновь попадает в более низкое состояние возбуждения или в основное состояние. С помощью когерентной антистоксовой спектроскопии комбинационного рассеяния определяются, например, очень высокие температуры при процессах горения, а именно с большим временным и пространственным разрешением (рис. 7.2).

Поскольку возможны как комбинированные переходы, так и чисто колебательные и вращательные переходы, спектр комбинационного рассеяния распадается на линию возбуждения, так называемую линию Рэлея, и линии колебательного спектра, причем все они обладают тонкой вращательной структурой. Линии вращательного спектра, как и в ИК-спектроскопии, можно наблюдать только на газообразных пробах, а в случае жидких и твердых веществ вращательные переходы проявляют себя исключительно в уширении линий колебательного спектра.

Так как большинство молекул при комнатной температуре находится в основном колебательном состоянии, антистоксовы линии, соответствующие переходам с вышележащих на нижележащие энергетические уровни, как правило, имеют (если это касается колебательных переходов) лишь очень малую вероятность. Следовательно, типичный спектр комбинационного рассеяния обычно содержит - наряду с линией Рэлея - высокоинтенсивные стоксовы и малоинтенсивные антистоксовы линии.

Как и в ИК-спектроскопии, для комбинационного рассеяния также существуют определенные правила отбора. ИК-свет поглощается, если при этом изменяется дипольный момент молекулы. При комбинационном рассеянии происходит аналогичное взаимодействие между светом и поляризованным состоянием молекулы. При взаимодействии молекул со светом электроны приводятся в колебательное состояние в меру их способности к сдвигу, задаваемой имеющимся поляризованным состоянием. В результате изменения такой поляризуемости во времени, чем обусловлено и изменение электрического дипольного момента, молекулы могут войти во взаимодействие с излучением. Поэтому на частоту рассеянного излучения способны воздействовать только такие колебания и вращения, при которых поляризуемость варьируется относительно вектора поля излучения.

Итак, комбинационно-активными являются вращения и колебания молекул, при которых с вращательным или колебательным движением изменяется поляризация молекул. ИК-активны вращения и колебания молекул, при которых с вращательным или колебательным движением изменяется электрический дипольный момент.

Из таких правил отбора вытекает следующее: в молекуле с центром симметрии все колебания, симметричные этому центру, ИК-неактивны, то есть запрещены, но они комбинационно-активны; напротив, колебания, не симметричные по отношению к центру симметрии, комбинационно-неактивны, но зато, как правило, ИК-активны (см. табл. 7.1). Это чрезвычайно важный вывод, указывающий на то, что оба этих спектра дополняют друг друга.

Таблица 7.1. ИК- и комбинационная активность разных типов колебаний молекулы СО₂

При симметричном валентном колебании молекула растягивается и сжимается, причем изменяется концентрация электронов в элементе объема и, следовательно, готовность этой молекулы к поляризации. Поэтому такое колебание комбинационно-активно. А вот дипольный момент при этом колебании не изменяется, то есть оно ИК-неактивно. Понятно, что в случае антисимметричного валентного колебания наблюдаются противоположные отношения.

В области эмпирических исследований комбинационное рассеяние предлагает в принципе те же возможности определения химического строения. К недостаткам анализа по спектрам комбинационного рассеяния можно отнести очень низкую интенсивность спектральных линий, на которую приходится всего около 1 % общего рассеянного излучения. Интенсивность линий комбинационного рассеяния определяется готовностью молекулы к изменению поляризации во время колебания.

Прибор для проведения анализов по спектрам комбинационного рассеяния включает в себя источник возбуждающего света высокой интенсивности, камеру образца с держателем, монохроматор для спектрального разложения рассеянного света и детектор (рис. 7.3). Для возбуждения требуется монохроматический свет с длиной волны, достаточно далеко отстоящей от участка спектра поглощения исследуемой пробы. Ранее в качестве источника излучения использовались ртутные лампы, из спектра которых выделялась обычно линия, имеющая длину волны 435,8 нм.

Сегодня в качестве источника возбуждающего света используются в большинстве случаев длинноволновые лазеры. Лазер на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом, излучает в ближней ИК при длине волны 1064 нм, что исключает проблему, связанную с флуоресценцией исследуемого образца. При этом высокую входную энергию лазера нередко понижают посредством нейтрального фильтра — во избежание нагревания или термического разложения проб. Тогда лазер может работать с большой мощностью и относительно низкими шумами. Помимо прочего, высокая направленность лазерного луча позволяет проводить измерения на поглощающих твердых, жидких или газообразных пробах совсем малого объема.

Существует две принципиальные возможности регистрации спектра комбинационного рассеяния. В классическом варианте предпочитается дифракционная решетка в качестве диспергирующего элемента. Для подавления рассеянного света применяют двойные монохроматоры с голографическими решетками. С помощью двойных, тройных или даже четверных монохроматоров достигается максимально полное подавление рассеянного света. Двойной монохроматор состоит из двух отдельных монохроматоров, связанных оптически и механически таким образом, что они одновременно настраиваются на одинаковую длину волны. Это осуществляется и в так называемой аддитивной и в субтрактивной конфигурациях.

Когда сопряжены два монохроматора в аддитивной схеме, спектр выходного излучения первого монохроматора попадает на вход второго монохроматора и там дистергируется во второй раз. В этом случае двойной монохроматор может генерировать двойную дисперсию одиночного монохроматора. В субтрактивной схеме выход одного монохроматора сопряжен со вторым блоком таким образом, что двойной дисперсии света не происходит. С этой целью второй монохроматор устанавливается как бы «вниз головой», чтобы дифракционные решетки обеих систем вращались относительно друг друга. В нормальной ситуации свет на выходе монохроматора не показывает однородного распределения. Это всегда небольшой участок спектра. При наличии двойного монохроматора в субтрактивной схеме оба блока обеспечивают дисперсию в противоположных направлениях. В результате этого свет над выходной щелью становится однородным. Дисперсия не возрастает и определяется только первым монохроматором, но рассеянный свет заметно уменьшается.

Для регистрации излучения, в том числе и слабого комбинационного рассеяния, детектор должен обладать высокой чувствительностью и одновременно низким фоном. С этой задачей благодаря его замечательной чувствительности отлично справляется фотоумножитель, подлежащий охлаждению в целях снижения шумов темнового тока. И все же процесс записи спектра с высоким уровнем информативности длится порой несколько часов.

При необходимости ускоренной регистрации комбинационных спектров для задач детектирования находят применение также диодные матрицы и приборы с зарядовой связью (ПЗС) [7.3]. В этих условиях могут исследоваться и кинетические процессы. Как при спектроскопии в ближней ИК-области, здесь тоже необходимо учитывать ограниченный диапазон длин волн диодов. Поскольку для записи полного спектра комбинационного рассеяния требуется сдвиг порядка 4000 см^-1 от источника возбуждающего света, то при использовании лазера на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом, кремниевые диоды заменяются диодами на основе индия/галлия/арсенидов. При этом может измеряться комбинационный сдвиг до 3335 см^-1 (рис. 7.4). Другая возможность расширения диапазона измерения состоит в применении лазера с меньшей длиной волны.

В качестве еще одного возможного способа детектирования комбинационного рассеяния предлагается интерферометр Майкельсона. Фурье-ИК-спектрометр можно получить довольно простым и дешевым способом, переоснастив приставку Рамана в прибор комбинационного рассеяния с Фурье-преобразованием [7.4]. Благодаря этому достигается преимущество мультиплексности спектроскопии по принципу Фурье-преобразования. Здесь используются как отдельные спектральные приборы, так и комбинированные варианты — Фурье-ИК-спектрометры комбинационного рассеяния. В качестве источника возбуждающего света для комбинационного рассеяния хорошо зарекомендовал себя все тот же лазер на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом. Правда, применяя подобное оборудование, не стоит забывать о том, что ИК-детекторы гораздо менее чувствительны, чем используемые в видимой области фотоумножители. Это значит, что спектры комбинационного рассеяния с Фурье-преобразованием не достигают качества традиционных спектров комбинационного рассеяния [7.5].

Поскольку интенсивность линий спектра комбинационного рассеяния, кроме прочего, зависит от энергии, то есть от длины волны источника лазерного излучения, то это означает потерю интенсивности подлежащего обнаружению рассеянного света при использовании длинноволнового света лазера. Данный нежелательный эффект удается компенсировать за счет преимуществ техники Фурье-преобразования, ибо световой поток в Фурье-спектрометре, как минимум, на два порядка сильнее.

Комбинационное рассеяние наблюдается обычно под углом 90° или 180°. Оно собирается над большим телесным углом в линзе или в эллипсоидном зеркале с позолоченным покрытием. Рассеянный свет направляется через систему фильтров, чтобы исключить сильную линию Рэлея, интенсивность которой превышает интенсивность комбинационного рассеяния в 10⁴ раз и более. Чтобы можно было регистрировать как стоксовы, так и антистоксовы линии, расположенные непосредственно рядом с рэлеевской линией (±100 см^-1), к используемой системе фильтров предъявляются повышенные требования.

С одной стороны, такие фильтры обязаны обеспечивать очень узкополосное выделение рэлеевской линии; с другой стороны, они должны быть максимально прозрачны в остальном диапазоне длин волн. С учетом малой ширины спектральных полос и большой крутизны кромок для этой цели все чаще используются голографические режекторные фильтры вместо диэлектрических интерференционных фильтров, причем это происходит как в традиционной, так и в Фурье-комбинационной технике. Подобные фильтры предлагаются в большом интервале длин волн с оптимальным блокированием за счет угловой корректировки. Пропускание в области стоксовых и антистоксовых линий остается одинаково высоким.

Спектроскопия комбинационного рассеяния еще 20 лет назад использовалась в химической и петрохимической отраслях в качестве специальной методики при изучении характеристик химических соединений. С тех пор эта техника обогатилась множеством дополнительных приемов и считается в настоящее время стандартным способом, применяемым в химико-аналитических лабораториях и на промышленных предприятиях для контроля производственных процессов. Отнимающий много времени этап пробоподготовки, необходимый для некоторых иных спектроскопических методов, в области спектроскопии комбинационного рассеяния практически ничтожен. Здесь измерения можно проводить прямо в стеклянных сосудах либо в водном растворе.

Широкое применение получил данный метод при качественном и количественном анализах полимеров и эмульсий, смесей растворителей и водных технологических растворов. Важным достоинством спектроскопии комбинационного рассеяния является возможность анализа сложных многокомпонентных смесей, а также веществ, близких по строению и составу. В сфере аналитики объектов окружающей среды спектроскопия комбинационного рассеяния незаменима при исследованиях грунтовых и поверхностных вод. Без всякой специальной подготовки проб анализируются, например, металл ©комплексы, фенолы, карбонаты и органические кислоты. В области биомедицины изучается строение белков, полипептидов и других соединений из нашего физиологического окружения. На основе спектроскопии поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния (surface enhanced Raman spectroscopy, SERS) успешно изучаются характеристики иммуноглобулина, олигосахаридов, холестерина, липидов и других биологически активных молекул [7.6].

Так как комбинационное рассеяние прозрачных пластмасс относительно невелико, этот метод вполне годится для анализа упакованных продуктов. Состав таблеток в блистерной упаковке или пищевых продуктов в пластиковой пленке удается определять, не вскрывая упаковку. Слабый спектр упаковочного материала легко убрать вычитанием.

На основе методики комбинационного рассеяния можно исследовать такие материалы, как природные и искусственные алмазы, кристаллический графит и некристаллический углерод. Кроме прочего, рассматриваемый метод является единственным недеструкционным способом анализа различных модификаций углеродов. Он пригоден и для исследований керамических материалов. Могут анализироваться, в частности, тонкие слои, спектроскопическая характеристика которых иным способом (без контакта и без разрушения образца) невозможна.

Для измерения общего комбинационного рассеяния требуются источники излучения очень высокой интенсивности, для чего прежде предлагались только ртутные лампы. Однако они имели тот недостаток, что излучали в том интервале длин волн, где для большого числа веществ возбуждается флуоресценция. В силу этих и иных причин спектроскопия комбинационного рассеяния была востребована достаточно мало. В результате применения лазера как источника очень интенсивного и высокомонохроматического излучения роль данной методики резко возросла. Путем сдвига длины волны возбуждения в ближнюю ИК-область спектра удалось устранить проблему флуоресценции проб. Параллельно с этим продолжала успешно развиваться и совершенствоваться приборная техника с высокоэффективными монохроматорами и детекторами.

Сегодня, благодаря внедрению микроэлектроники, предлагаются компьютеризованные спектрометры комбинационного рассеяния с цифровой регистрацией и обработкой данных, агрессивно вытесняющие в настоящее время ИК-спектрометры. Но два этих колебательно-спектроскопических метода — ИК-спекгроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния — не могут взаимно замещаться, а должны лишь дополнять друг друга. Расхождения в правилах отбора чрезвычайно благоприятны для всех исследований взаимодействия колебаний в одной молекуле. ИК-неактивные колебания часто бывают комбинационно-активны, и наоборот. Поэтому для изучения строения молекулы необходима расшифровка обоих спектров.

По распределению колебательного поглощения в ИК- и, соответственно, комбинационном спектрах можно сделать заключение о симметрии молекул. Кроме того, нередко проявляются разные интенсивности поглощения отдельных функциональных групп. В то время как в ИК-спектре полярные группы дают интенсивные полосы, в спектре комбинационного рассеяния, напротив, интенсивные полосы показывают неполярные группы.

Спектроскопия комбинационного рассеяния все больше приближается к уровню стандартных методов, успешно применяемых при решении насущных проблем в химии, биологии и медицине.

По степени информативности спектроскопия комбинационного рассеяния нисколько не уступает колебательной спектроскопии, не говоря уже о том преимуществе, что, с учетом используемого диапазона от видимой спектральной области до ближней ИК, в первом случае можно прибегать к помощи световодов. Соответствующие зонды позволяют при этом проводить измерения вне спектрометра, успешно реализуя аналитические исследования в производственной сфере.

Наряду с лазером на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом, находят применения и лазеры, излучающие в видимой области спектра, — аргоновые или на ионах криптона. Они отличаются тем замечательным качеством, что не вызывают разрушения исследуемого образца под действием тепловых процессов. Следует, впрочем, напомнить, что при наличии флуоресцирующих веществ источник возбуждающего света должен обязательно оставаться в ближней ИК-области спектра.

Традиционные спектрометры комбинационного рассеяния с двойными или тройными дифракционными решетками и фотоумножителем в качестве детектора обладают наилучшей спектральной чувствительностью. При использовании диодных матриц эффективность подавления рассеянного света этих монохроматоров несколько снижается в связи с соответствующим раскрытием щелей. Эшелле, давно и успешно практикуемые в атомно-эмиссионной спектроскопии, обеспечивают отличное подавление рассеянного света также и в спектрометрах комбинационного рассеяния. Недостатком здесь является, пожалуй, лишь очень малая светосила. Инновационные способы многоканального обнаружения предлагаются на основе ПЗС-чипов (приборов с зарядовой связью). Охлаждаемые ПЗС-детекторы демонстрируют высокое разрешение и хорошую чувствительность.

Наряду с традиционной спектроскопией комбинационного рассеяния существуют и более современные методики, реализация которых требует пока довольно сложного аппаратурного оформления и значительных финансовых затрат. В случае этих так называемых нелинейных методов речь идет о спектроскопических эффектах, открытых исключительно благодаря внедрению лазера в качестве источника возбуждающего света. Пример: когерентное антистоксово комбинационное рассеяние и обратное комбинационное рассеяние. Фотоакустический детектор тоже находит применение в технике комбинационного рассеяния.

Молекула может разными способами поглощать энергию движения. Число независимых координат, необходимых для однозначного определения молекулы, составляет 3N, причем А показывает число атомов в молекуле. Значит, данная молекула имеет и ЗАстепеней свободы, из которых три приходятся на перенос в три пространственные координаты. Остальные ЗА — 3 степеней свободы распределяются на вращение и колебание. Если перенос как не квантованное тепловое движение есть предмет изучения термодинамики и кинетической газовой теории, то вращение и колебание приводят к изменениям дискретного запаса энергии в молекуле.

По классическому условию излучения, вращающаяся молекула может только поглощать энергию из электромагнитного поля излучения (процесс абсорбции) либо только отдавать ему свою энергию (процесс эмиссии), если в основном состоянии она имеет перманентный (стационарный) электрический дипольный момент, который при переходе изменяется во времени. Поэтому такие симметричные молекулы, как Н₂, N₂, СН₄, ССl₄ и т.д., у которых центр тяжести отрицательного заряда совпадает с положительным, не имеют дипольного момента, следовательно, не дают и вращательного спектра. Исключение здесь составляет лишь не обладающая диполем парамагнитная молекула О₂, магнитный момент которой может вступать во взаимодействие с магнитным вектором поля излучения.

Число вращательных степеней свободы F молекулы зависит от ее геометрической структуры. Для линейных молекул в результате вращения вокруг обеих осей, расположенных перпендикулярно направлению связи, будет F = 2. Вращение вокруг оси связи — по причине малого в этом направлении инерционного момента — не возбуждается. Нелинейные молекулы имеют три вращательных степени свободы вокруг трех основных инерциальных осей (F = 3).

Геометрическая структура определяет также внешний вид вращательного спектра. Линейные молекулы и симметричные центробежные молекулы (молекулы с осью симметрии третьего порядка или выше, например у СН₃С1) имеют вращательный спектр из линий с почти постоянными частотными интервалами. А вот спектры асимметричных центробежных молекул столь простых закономерностей не обнаруживают.

Рисунок 8.1 демонстрирует гантельную модель вращающейся, двухатомной, гетероядерной молекулы. Жесткий ротатор состоит из двух масс (атомов) + m₁ и m₂, находящихся одна от другой на фиксированном расстоянии r. Согласно законам классической механики, для вращательной энергии справедливо:

где I — момент инерции, ω — угловая скорость.

Момент инерции I указан у двухатомных молекул через атомные массы m₁ и m₂ и межъядерное расстояние r.

Согласно квантово-механическому расчету применительно к линейному жесткому ротатору, энергетические состояния должны быть квантованы, то есть вращательная энергия может принимать только совершенно определенные значения.

По уравнению Шредингера, для вращательной энергии возможны следующие «разрешенные» энергетические уровни:

Здесь J есть вращательное квантовое число, которое может принимать значения 0, 1, 2, 3…​ Поглощение излучения происходит в результате того, что молекула переводится с одного вращательного уровня на другой вращательный уровень, с более высокой энергией.

Касательно возбуждения вращательного уровня действует правило отбора из квантовой механики:

так что через поглощение излучения возможны только переходы между непосредственно соседствующими вращательными состояниями. Но так как разности энергий по сравнению с тепловым движением kТ довольно малы, молекулы при комнатной температуре заселяют не только основное состояние, но и энергетически более высокие (возбужденные) состояния. Это означает, что при комнатной температуре, из-за малой разности энергий, вращения молекул, в отличие от их колебаний, уже термически возбуждены. Таким образом, поглощение осуществляется не только начиная с J = 0, но и с вращательных уровней большей населенности. Для энергии возбуждения такого перехода имеет силу:

Приняв ΔΕ = hν, получаем отсюда частоты поглощения:

Итак, вращательный спектр в представлении волновых чисел состоит из эквидистантных линий, частоты поглощения которых различаются на постоянную величину h/4π²I. Повторяемость переходов и, следовательно, интенсивность отдельных линий вращательных спектров есть, наряду с величиной дипольного момента, функция температуры, при которой проводится исследование. По причине термического возбуждения вращательного уровня максимум интенсивности наступает не в безвращательном основном состоянии, а в зависимости от температуры наблюдения — при более высоких вращательных состояниях. Рисунок 8.2 показывает вращательный спектр газа НСl при комнатной температуре.

Так как вращательные уровни термически возбуждены, это означает, что разности заселенностей в пределах схемы вращательных энергетических уровней молекулы очень малы. Для заселенности энергетического уровня Е_J по сравнению с основным состоянием Е₀ действительно распределение Больцмана:

В случае, например, НСl при комнатной температуре такое распределение приводит к максимально заселенному энергетическому уровню с J = 2. Но разности заселенностей есть мера интенсивности поглощения. Микроволновая спектроскопия дает, следовательно, лишь слабые сигналы, а наблюдаемые коэффициенты поглощения соответственно малы. При более крупных молекулах могут возбуждаться уже и колебательные состояния, вследствие чего наблюдаются вращательные спектры из возбужденных колебательных состояний. С распределением заселенности по разным колебательным уровням отдельные вращательные спектры в силу высокого разрешения располагаются рядом друг с другом. При этом весь спектр становится богаче линиями, но в результате распределения заселенности на многие колебательные состояния вновь будет показывать меньшую интенсивность. Это еще одна причина ограничения применения микроволновой спектроскопии исследованием только не слишком больших молекул.

Рисунок 8.3 отображает заселенность вращательных уровней при комнатной температуре согласно статистике Больцмана.

Точное измерение вращательного спектра показывает, что его линии не совсем эквидистантны, но по мере увеличения J все более сближаются. Это объясняется тем, что при высоком возбуждении вращательного уровня центробежная сила уже заметно увеличивает межатомное расстояние r. В результате изменяется момент инерции, а с ним и Е_вращ. Рассматривать молекулу как жесткий ротатор допустимо только для низких значений _J. Но центробежное искажение может быть учтено посредством дополнительных членов более высокой степени J.

Для многоатомных молекул малой симметрии энергии при вращении вокруг трех пространственных осей, как правило, уже не эквидистантны. Здесь образуется гораздо более сложный и насыщенный линиями спектр без какой-либо видимой закономерности. С возрастанием симметрии молекулы линий в спектре становится меньше, что делает его более наглядным и ясным.

Изучение вращательных спектров проводится на газах высокого разрежения при давлении от 0,1 до 10 Па. Межмолекулярные взаимодействия при этом уменьшаются настолько, что уже не оказывают сколько-нибудь значимого влияния на линейчатую структуру спектра. Поскольку интенсивность линий с понижением температуры возрастает, то работу лучше вести при комнатной температуре либо соответствующим образом охлаждать пробу. И наоборот, поглощающую ячейку нагревают с целью получения спектров соединений, имеющих очень низкое давление пара. Существует соответствующее оборудование для регистрации вращательных спектров при температуре до 1000°С. С его помощью могут быть спектроскопированы практически все органические соединения, способные испаряться без разложения.

В оптической области поглощают только совсем небольшие молекулы, состоящие из небольшого числа легких атомов, например НСl и НF Более крупные молекулы в силу их большего момента инерции поглощают в спектральной области микроволн. Для генерации излучения служит СВЧ-излучатель, чаще всего отражательный клистрон, дающий строго монохроматическое излучение. В связи с этим отпадает необходимость в монохроматоре. С помощью релаксационного генератора можно в определенном диапазоне варьировать частоту передатчика. В качестве современных источников излучения предлагаются полупроводниковые генераторы.

Излученная передатчиком волна бежит в металлическом полупроводнике прямоугольного сечения («волноводе») длиной до 10 метров, который одновременно выполняет функцию поглощающей ячейки. Там находится подлежащий исследованию сильно разреженный газ. Вакуумплотные полупроводники соединены с насосом и загрузочной системой.

Роль приемников излучения играют кристаллические детекторы из кремния либо германия с электронными системами усиления. Измерение частоты осуществляется принятым в радиотехнике способом — путем сравнения со стандартными частотами кварцевых генераторов. Поскольку излучение в полупроводниках в значительно большей степени ослабляется из-за потерь в стенках, чем в результате молекулярного поглощения, то принимаемые детектором сигналы весьма слабы. Для усиления этих маломощных сигналов разработаны самые разные способы, среди них — метод двойного резонанса.

Техника на основе преобразования Фурье тоже находит применение в микроволновой спектроскопии (СВЧ-Фурье-спектроскрпия). При этом короткий монохроматический микроволновой импульс подается в поглощающую ячейку. Вращения, возбужденные при данной частоте, в результате термической релаксации очень быстро затухают после отключения импульса. Сигнал затухания записывается во времени и с помощью Фурье-преобразования преобразуется в спектр. Тогда получают участок спектра, центрированный относительно частоты возбужденного микроволнового импульса.

Поглощение происходит в результате вращения всей молекулы вокруг разных инерциальных осей. Поэтому каждая отдельная линия вращательного спектра является характеристической для исследуемого соединения, так что для идентификации последнего достаточно точного указания частоты такой линии. Но, с другой стороны, это не позволяет устанавливать определенные группировки атомов или структурные элементы, как это возможно посредством УФ- или ИК-спектроскопии.

Качественный анализ основан на сравнении вращательного спектра неизвестного вещества со спектрами хорошо изученных веществ. При идентичности двух спектров, например двух линий поглощения, относящиеся к ним соединения тоже идентичны. Поскольку при низком давлении газа молекулы не оказывают друг на друга взаимного влияния, можно анализировать газовые смеси, состоящие из множества компонентов. Но обязательным условием здесь является, конечно, знание спектров чистых веществ.

Вследствие большой разрешающей способности СВЧ-спектрометра удается разделять и чрезвычайно точно измерять даже линии, достаточно плотно прижатые друг к другу. Во вращательном спектре хлористого метилена наблюдаются, например, две разные линии поглощения, исходящие от молекулярных изотопов ³⁵С1 и ³⁷С1. Это позволяет проводить определение изотопного состава молекул одного сорта.

Микроволновая спектроскопия использует свойство молекул с перманентным диполем путем возбуждения вращательного уровня поглощать специфичную длину волны. Вращательная абсорбция есть свойство всей молекулы. Поэтому определенные атомные группировки не могут быть эмпирически идентифицированы на основе вращательного спектра, как это имеет место при ИК-спектроскопии и методах комбинационного рассеяния. Но линии вращательного спектра можно определить чрезвычайно точно: благодаря малой полуширине их перекрытия у разных веществ практически исключаются. Поэтому часто бывает достаточно определения одной-единственной линии для характеристики и идентификации соединения. Также и маложивущие молекулы можно количественно идентифицировать в смесях, что позволяет, например, следить за ходом реакций.

Преимущества СВЧ-спектроскопии заключаются в высокой селективности и коротком времени измерения, чем обеспечивается непрерывный режим работы. Этот метод удобен для проведения анализа высокополярных, агрессивных и химически активных веществ. Кроме того, вращательный спектр находит применение в изотопном анализе, ибо разные изотопы в молекуле обусловливают момент инерции, изменение которого отчетливо проявляется в спектре. Моменты инерции столь чувствительны к изменениям массы, а разрешение спектров столь велико, что спектры изотопов могут быть такими же разными, как и спектры разных молекул.

На основе в высшей степени монохроматического выходного излучения и замечательной точности измерения частоты СВЧ-спектроскопия представляет собой прецизионный метод, которому уступают все прочие спектроскопические техники. Длины связи могут определяться с точностью до 1/100 ангстрем, а углы между связями — до 1/10 градуса. Однако они не полностью совпадают с равновесными расстояниями, соответствующими самой нижней точке эквипотенциальной кривой. Ведь в случае моментов инерции, полученных из вращательных спектров, речь идет о средних значениях, поскольку атомы в результате нулевого колебания находятся в постоянном движении. По причине так называемой ангармоничности атомных колебаний среднее межатомное расстояние несколько больше равновесного интервала, что, однако, может быть учтено с помощью подходящей коррекции.

Для коммерческого применения предлагаются лишь немногие исполнения микроволновых спектрометров. В 1990 г. фирмой Сименс в сотрудничестве с Центром ядерных исследований в Карлсруэ был разработан предназначенный для анализа газов в режиме реального времени СВЧ-спектрометр под названием «Мипан» (Mipan). Но активное использование микроволновой техники ограничено преимущественно специальными рабочими группами научно-исследовательских институтов. Тем не менее разного рода дополнительные варианты — вроде проведения анализов технологических газов в производстве полупроводников — позволяют надеяться на расширение областей применения микроволновой спектроскопии, например на уровне датчиков при газовом контроле. Помимо прочего, измерительная микроволновая техника представляется идеальным дополнением к хроматографии процесса, где селективность метода приобретается в связи с периодическим режимом работы и длительным периодом измерения.

Задолго до того, как открыли строение атомов, уже было известно, что испускаемое возбужденными атомами излучение есть специфичное свойство этих атомов. Феномен поглощения света занимал ученых еще в начале XVIII века, причем главный интерес вызывали сначала кристаллы и жидкости. Окрашивание пламени солями щелочных металлов использовал в 1758 г. Маргграф для различения солей натрия (желтое пламя) и калия (красное пламя), даже не подозревая о причине (атомная эмиссия!) данного явления. Позднее проводились систематические наблюдения за солнечным светом, приведшие Уоллстоуна в 1802 г. к открытию черных линий в солнечном спектре, которые в последующие годы подробно изучил Фраунгофер. Уже в 1820 г. британский физик Брюстер высказал мнение, что так называемые линии Фраунгофера вызываются процессами поглощения в солнечной атмосфере, описав тем самым собственно атомную эмиссию.

Фундаментальные зависимости между атомной абсорбцией и атомной эмиссией определили физик Кирхгофф и химик Бунзен в 1860 г. Это был результат их систематических исследований обращения линий в спектрах щелочей и щелочных земель. Оба однозначно указывали на то, что типичная желтая линия, испускаемая солями натрия в пламени горелки Бунзена, идентична черной D-линии солнечного спектра. Кирхгофф сформулировал затем общий закон, согласно которому любая материя поглощает свет именно на той длине волны, на которой она его и излучает.

Большинство сведений о строении атомов получено на основе экспериментов с атомной спектроскопией. Хотя принцип атомной абсорбции уже давно известен и подробно описан, он почти целое столетие оставался невостребованным химической аналитикой. И только в 1955 г. атомно-абсорбционная спектрометрия была заново открыта Уолшем с коллегами [9.11 и предложена в качестве универсального метода анализа [9.2]. Эта группа ученых из Австралийского центра научных и промышленных исследований (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, CSIRO) всесторонне разработала теоретические основы атомно-абсорбционной спектроскопии и принципы ее практического применения, включая описание требуемого аппаратурного оформления метода и приемов работы с пламенем смеси воздуха/ацетилена.

Профессор Б. В. Львов из Ленинграда первый начал заниматься беспламенной атомно-абсорбционной спектроскопией. Уже в 1958 г. он опубликовал свою работу касательно экспериментов с нагретыми печами. Но, несмотря на полученные новые знания, эта методика получила свое практическое воплощение лишь спустя 10 лет.

В основе данного метода лежит общеизвестное наблюдение, что пламя в присутствии паров металла так или иначе окрашивается (например, от NaCl оно становится желтым). Если этот свет разложить с помощью монохроматора, то соответствующий элемент в пламени обнаружит себя появлением характеристических светлых линий в спектре (качественный эмиссионный спектральный анализ, или пламенная фотометрия).

Совокупность длин волн, исходящих от источника излучения, есть эмиссионный спектр источника, причем целесообразно различают равномерный, непрерывный спектр излучения пламени «холостого» горения (пламенный фон) и линейчатый спектр излучения атомов металла в пламени. Причину появления спектральной линии составляет то свойство атомов, что их внешние (валентные) электроны забирают (поглощают) определенное количество энергии из пламени и могут переходить при этом в разные, энергетически более высокие состояния.

Атомы способны поглощать и вновь отдавать только совершенно определенные количества энергия. Если у молекул возможны изменения электронных, колебательных и вращательных состояний, то у атомов имеет место исключительно взаимодействие с электронами. В результате поглощения энергии атом может перейти в электронно-возбужденное состояние. При возврате на уровни с меньшей энергией атом затем вновь отдает поглощенную энергию обычно в виде излучения. При термическом возбуждении атом испускает эту поглощенную энергию в форме своего эмиссионного спектра.

Если возбуждение происходит под действием световой энергии, атомы поглощают только точно определенные количества энергии, то есть принимают свет определенной частоты, и тогда наблюдается абсорбционный спектр. Поскольку здесь возможны исключительно электронные переходы между дискретными орбиталями, то и атомные спектры состоят из дискретных линий.

Итак, атомные спектры есть линейчатые спектры.

Наблюдение атомной абсорбции возможно при условии, что в поглощающей ячейке присутствуют атомы: значит, исследуемая проба, например соль металла, должна быть переведена в атомарное состояние. Это достигается путем подвода тепловой энергии. При температуре примерно выше 2000°С почти все известные химические соединения находятся в атомарной форме, то есть, за некоторым исключением, уже нет никаких молекул и ионов. NaCl, который при комнатной температуре имеет ионное строение как в жидкой, так и в газообразной форме, при указанных высоких температурах состоит из атомов натрия и хлора.

Для наблюдения атомной абсорбции исследуемая проба должна находиться в поглощающей ячейке в атомарной форме.

При дальнейшем повышении температуры атомы поглощают тепловую энергию и переходят при этом в возбужденные состояния, пока наконец не будут ионизированы с образованием плазмы. Возбужденные атомы термически вобрали в себя энергию и уже не могут поглощать соответствующий свет; оптической атомной абсорбции более не наблюдается. Таким образом, в отношении температуры приходится идти на определенный компромисс, учитывая следующее: температура должна выбираться с расчетом на достижение быстрой и полной атомизации, но, с другой стороны, она не может быть слишком высокой во избежание возбужденных состояний или ионизации, ибо такие атомы уже более не способны к поглощению света^[6].

Высокие температуры для атомизации материи могут быть достигнуты, кроме прочего, с помощью подходящего пламени. В пламени атомы в подавляющем большинстве присутствуют обычно как нейтральные частицы в их основном состоянии E₁ (низший энергетический уровень). Когда в это пламя направляют свет подходящей частоты, поглощение даже минимального количества энергии приводит к первому возбужденному состоянию — уровню E₂ именуемому также резонансным уровнем. Статистическая вероятность заселенности этого уровня (E₂) при возбуждении атомов у разных элементов является почти всегда наибольшей. ΔΕ = Е₂ — Е₁ есть поглощенная резонансная энергия. Более значительные поглощения энергии приводят к уровням Е₃, Е₄, Е₅ и т.д. Спустя короткое время пребывания в метастабильных состояниях возбуждения (около 10^-8 с) возбужденный атом возвращается на более низкий или, соответственно, основной уровень, отдавая при этом высвобождающуюся энергию в виде специфичного для конкретного элемента излучения, то есть со специфичной для данного элемента длиной волны.

Итак, пламя образует собственную поглощающую ячейку с находящимися там атомами. Высокая температура пламени служит для атомизации материи.

Термическое возбуждение атомов осуществляется, согласно распределению Больцмана, тем легче, чем меньше разность энергий между основным и возбужденным состояниями. Следовательно, для заданной температуры с увеличением длины волны поглощения соответствующего элемента возрастает и число термически возбужденных атомов. Это касается, в частности, щелочных и щелочноземельных металлов, разности энергий которых между отдельными электронными орбиталями незначительны и соответствуют длинам волн в видимой области спектра. Уже при относительно низких температурах они термически возбуждаются и начинают испускать свет (окрашивание пламени, нередко используемое в пиротехнике). Но соотношение возбужденных атомов и атомов в основном состоянии весьма невелико, и при проведении аналитических исследований им можно пренебречь.

Из всего вышесказанного ясно, что тепловая энергия (пламя) способна возбуждать свободные, находящиеся в основном состоянии атомы, то есть вызывать, например, переход от E₁ к Е₂ в результате поглощения энергии атомами. Последующее излучение энергии (от Е₂ к E₁) приводит к испусканию световой энергии очень специфичных длин волн. Вытекающее отсюда взаимодействие между поглощением и излучением можно опять-таки использовать в целях количественного и качественного анализов, посылая в светопроницаемом, невозбужденном пару атома излучение с длиной волны, специфичной для интересующего элемента. Возникающее затем ослабление излучения на используемом фоновом излучателе при прохождении через этот атомарный пар вследствие поглощения энергии является тогда качественным свидетельством наличия соответствующего элемента в данной «поглощающей ячейке». Степень ослабления излучения фонового излучателя относительно неослабленного излучения при прохождении через еще пустую поглощающую ячейку дает количественный результат применительно к интересующему элементу (дифференциальное измерение). Соответственно, совокупность длин волн, поглощенных светопроницаемым телом из фонового излучателя, есть абсорбционный спектр этого тела.

Каждый элемент в невозбужденном основном состоянии поглощает только ту длину волны, которую он сам излучает в возбужденном состоянии. Поэтому речь идет о двух методах — атомной абсорбции и атомной эмиссии (см. табл. 9.1). В идеальном варианте при атомной абсорбции температура поглощающей ячейки должна быть как раз такой, чтобы проба была атомизирована, и присутствовали только атомы в основном состоянии. При атомной эмиссии, напротив, температура должна быть гораздо выше, чтобы получить как можно больше возбужденных атомов и, значит, достаточно интенсивный спектр излучения определяемых элементов.

Если бы атом имел только одно возбужденное состояние, то получилась бы лишь одна-единственная линия спектра поглощения. Фактически же наблюдается множество спектральных линий, расстояния между которыми по мере укорочения длин волн становятся все меньше и интенсивность которых понижается, пока наконец не достигается некая предельная точка, начиная с которой уже не видно ни одной линии, — наступает непрерывное поглощение: это граница спектральной серии, или сплошная среда ионизации (рис. 9.1).

Число всех электронных переходов и, следовательно, число спектральных линий для того или иного элемента определяется расположением внешних электронов в атоме. Атомы с малым числом внешних электронов, как, например, у щелочных металлов, обладают спектрами с минимальным количеством линий; атомы со сложной структурой внешней оболочки, особенно элементы побочных групп, дают спектры со множеством линий. Спектры атомов и ионов с одинаковым числом электронов, то есть, например, Na, Mg⁺¹ и Аl⁺², имеют при этом аналогичное строение, но положение соответствующих друг другу линий не является идентичным (закон смещения Косселя).

С целью возбуждения резонансных линий к щелочным металлам надо подводить особенно низкую, а к металлоидам — очень высокую энергию. При этом резонансная линия закономерно сдвигается из видимой области спектра в тяжелодоступную при экспериментах область вакуумного ультрафиолета. В принципе любой элемент можно определять на основе атомной абсорбции, ибо атомы всех элементов возбуждаемы и тем самым способны к поглощению. Ограничения здесь могут возникнуть лишь в силу аппаратурных причин. Основную область применения атомно-абсорбционной спектрометрии составляют поэтому определения металлов и полуметаллов. Это ограничение метода атомной абсорбции связано, следовательно, исключительно со спектральной областью, а не с исполнением подходящего для тех или иных элементов линейчатого излучателя, как можно было бы предположить.

Итак, определяемые с помощью атомной абсорбции элементы устанавливаются через спектральную область, в которой они поглощают свет. Линии спектра поглощения металлов находятся в области от видимой до ультрафиолетовой, в то время как металлоиды поглощают в основном в труднодоступном вакуумном ультрафиолете.

Атомно-абсорбционная спектрометрия используется, таким образом, в целях обнаружения и количественного определения элементов преимущественно металлического ряда. Для качественного анализа элемента достаточно обнаружения одной-единственной линии, и совсем не требуется регистрировать весь линейчатый спектр. Каждая отдельная линия в принципе элементно-специфична, то есть способна характеризовать какой-то конкретный элемент, хотя здесь не исключены совпадения с линиями других элементов. При количественном определении измеряется поглощение у одной линии. И здесь тоже действует закон Ламберта — Бера, то есть понижение интенсивности источника излучения непосредственно связано с числом поглощающих атомов N.

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

Общая конструкция атомно-абсорбционного спектрометра проста и лишь немного отличается от исполнения спектрометра для УФ/видимой областей. Если в последнем случае в качестве поглощающей среды служит кварцевая кювета, то при атомной абсорбции используется поглощающая высокотемпературная ячейка, где исследуемая проба подвергается атомизации. При стандартных определениях следовых количеств веществ для этой цели успешно применяют подходящее пламя (рис. 9.3). Далее, требуется источник излучения для получения спектра интересующего элемента: известные лампы с полым катодом испускают линейчатый спектр подлежащего исследованию элемента. Наконец, монохроматор обеспечивает спектральное разложение света, а детектор осуществляет измерение интенсивности излучения.

Требования к спектральному разрешению абсорбционного спектрометра не столь строги, как в отношении эмиссионного спектрометра. Поэтому, как правило, используются монохроматоры с разрешением около 0,1 нм, которые, будучи смонтированы на устойчивом основании, гарантируют длительную работу без нежелательных дрейфов.

В современной практике для целей возбуждения находят применение главным образом лампы с полым катодом, ибо они с точки зрения мощности и удобства обращения в наибольшей степени соответствуют условиям повседневной работы. Такая лампа состоит из стеклянного баллона цилиндрической формы, заполненного под давлением в несколько миллибар инертным газом (неоном или аргоном), с впаянными катодом и анодом. Сам катод изготовлен в виде полого цилиндра или стаканчика, либо заполненного интересующим материалом, либо просто выполненного из такового. Анод в большинстве случаев представляет собой кусок толстой проволоки, чаше всего из вольфрама или никеля (рис. 9.5).

Если между катодом и анодом подается напряжение от 100 до 400 В, то происходит разряд: газ-наполнитель ионизируется, ионы газа вследствие градиента потенциала падают на металлическую поверхность катода и там разряжаются. Одновременно с этим атомы металла выбиваются из поверхности катода и возбуждаются. Эти возбужденные атомы металла при возвращении в основное состояние выдают затем спектр излучения материала катода. Поскольку данный процесс в лампе протекает при сильно пониженном давлении, то уширение линий в результате низкого давления становится едва заметным. Линии спектра излучения, таким образом, обладают меньшей шириной, чем линии спектра поглощения, наблюдаемые при атмосферном давлении.

Так как наибольшая часть излучения выходит из внутренней части полого цилиндра, то это испускание достаточно хорошо фокусируется и направляется. В результате повышения регулируемого тока лампы излучается больше света и создается лучшее отношение сигнал/шум. Недостатком же является связанное с этим уширение резонансной линии, вызываемое эффектом самопоглощения. Такое самопоглощение лампы объясняется тем, что образующееся перед эмиссионным катодом атомное облако само поглощает испускаемое излучение и, следовательно, посылает меньше света на собственно поглощающую ячейку. Это приводит к снижению чувствительности поглощения и сокращению срока службы лампы. Поэтому ни в коем случае не следует превышать указанную на каждой лампе величину тока. Этот отрицательный для данной ситуации эффект приобретает вполне положительный характер при измерении фона (принцип Смита — Хифти), о чем ниже будет говориться подробнее.

Для повышения яркости лампы может быть встроен дополнительный катод, служащий источником электронов. Испускаемые электроны возбуждают при этом другие атомы, остающиеся в основном состоянии. С таким дополнительным газовым разрядом у подобных «суперламп» повышается световая мощность. Благодаря этому стихает обусловленный основными линиями шум и уменьшается самопоглощение [9.31.

Атомизация, то есть перевод пробы в атомарное состояние, представляет собой достаточно сложный процесс, в конечном итоге определяющий успех атомно-абсорбционного анализа. Впрочем, приборная техника и уровень знаний в области процессов атомизации в последние годы поднялись на такую высоту, что аналитик способен сегодня решить практически любую задачу. На роль устройства атомизации могут быть выбраны:

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

Фоновая абсорбция, в отличие от описанных выше помех, связана не с изменением числа атомов в основном состоянии, а с дополнительным ослаблением излучения /₀ в результате так называемых неселективных светопотерь. Поэтому измеренное уменьшение интенсивности света оказывается выше ослабления излучения, вызванного чисто атомной абсорбцией. В итоге индицируется слишком высокая концентрация определяемого элемента.

При измерениях реальных проб подлежащий определению элемент нередко находится рядом с избыточным объемом матрицы. Если, например, требуется определить в морской воде наличие свинца в единицах миллионных долей, то придется столкнуться с тем, что каждая его частица окружена 10 миллионами частиц соли. При измерении меньших концентраций интересующего элемента в присутствии избыточного объема сопутствующих веществ может так случиться, что в широком масштабе атомизируется именно интересующий элемент, а не основной компонент, который может пребывать еще в форме недиссоциированных молекул либо даже твердых частиц. Оба варианта чреваты потерей интенсивности излучения. Молекулы демонстрируют широкополосное поглощение света — значит, узкие линии спектра испускания лампы с полым катодом отчетливо ослабевают, в связи с чем лампа теряет свою селективность. На достаточно крупных частицах или агломератах свет рассеивается, то есть отклоняется из хода лучей в направлении детектора (рис. 9.18).

Эти световые потери подлежат регистрации с помощью измерительной техники с соответствующей обязательной компенсацией. Для устранения подобного неселективного поглощения света разработаны специальные методы компенсации фона. Выполняемое для этой цели измерение проходит в два этапа.

На первых порах атомно-абсорбционные спектрометры не предусматривали фоновой коррекции, поскольку уменьшение интенсивности излучения в результате рассеяния частицами оценивалось как незначительное. И только со временем была осознана необходимость коррекции неселективных потерь излучения, причем фоновые сигналы при методе графитовой трубчатой печи проявлялись гораздо отчетливее, чем при пламенной технике [9.31]. Многие проблемы с использованием пламенной атомно-абсорбционной спектроскопии вообще не требуют коррекции фона, чего не скажешь о большинстве областей применения с графитовой трубкой, где такая коррекция абсолютно необходима [9.32]. Было замечено, что фоновая абсорбция много сильнее в ультрафиолетовой, чем в видимой области спектра, что объясняется рэлеевским рассеянием, которое резко сокращается с увеличением длины волны.

Идеальным способом компенсации фона представляется ситуация, когда спектральный фон в поглощающей ячейке (в пламени или графитовой трубке) компенсируется в одном и том же месте, в одно и то же время и точно с такой же длиной волны. Но столь идеального состояния до сих пор достигнуть не удалось.

Коррекция фона с применением дейтериевой лампы есть самый старый способ, который все еще находит применение в большинстве спектрометров. Поскольку фоновое и полное поглощение по определению не могут измеряться одновременно, то требуется достижение высоких частот модуляции для коррекции неселективного поглощения быстрых сигналов графитовой трубки. Типичными для этой цели считаются частоты от 150 до 200 с^-1. Эффективность корректирующих систем с помощью модулирующих частот < 100 с^-1 имеет свои ограничения, так как быстро нарастающие сигналы не поддаются точному распознаванию [9.33].

Дейтериевые компенсаторы уже не отвечали высоким требованиям к коррекции фона при методе графитовой трубчатой печи, так что пришлось заняться разработкой новых систем. Так, можно, пользуясь только лампой с полым катодом, проводить измерения как атомных, так и фоновых абсорбций. Необходимое для этого кратковременное изменение эмиссионной характеристики лампы достигается, во-первых, на основе эффекта Зеемана и, во-вторых, по принципу Смита — Хифти [9.34]. Благодаря этому удается регистрировать фон очень быстро и гораздо ближе к профилю поглощения, чем это возможно с помощью излучателя с непрерывным спектром.

Быстрая коррекция фона принципиально необходима в технике с графитовой трубкой, но важна также, хотя и не до такой степени, в пламенной атомноабсорбционной спектроскопии. При малых длинах волн шумы пламени вызывают наибольшее ограничение предела обнаружения и точности при малых концентрациях [9.35]. Если путем коррекции фона удается устранить эти шумы, то значительно улучшается определение элементов, линии которых приходятся на коротковолновую УФ-область спектра. К таковым относятся: мышьяк, селен, цинк и свинец.

Атомно-абсорбционные спектрометры первого поколения были сконструированы таким образом, что результаты измерения выводились на самописец либо аналоговую индикацию. При этом концентрации раствора определялись, как правило, на основе обычного градуировочного графика. Устройства цифровой индикации, позволяющие простую коррекцию характеристических кривых, равно как и прямую индикацию величин концентрации, стали следующим шагом в развитии технического оснащения. С вводом микропроцессоров удалось значительно расширить и усовершенствовать обработку сигналов и полученных данных. Все возрастающие требования к воспроизводимости и правильности анализов, стремление к повышению пропускной способности при исследовании проб способствовали дальнейшему техническому прогрессу в этой сфере — от создания механизмов автоматической подачи образцов до разработки компьютеризованных приборов с возможностью сохранения программ и всей необходимой информации. При этом высокоэффективные атомно-абсорбционные спектрометры не обязательно попадали в группу товаров высокой ценовой категории. Аналитическая эффективность, многофункциональность и надежность относятся сегодня к качественным признакам спектральных приборов, предлагаемых по вполне доступным ценам [9.51].

Эффективность атомно-абсорбционных спектрометров определяется прежде всего пределом обнаружения отдельных элементов. Свойства оптической системы, механическая устойчивость, механизм атомизации, способы обработки сигналов и коррекции фона оказывают свое влияние на воспроизводимость и долговременную стабильность приборов. По сравнению с атомной эмиссией, требования к спектральному разрешению атомно-абсорбционных спектрометров не столь высоки, поскольку селективность по элементам достигается здесь посредством лампы с полым катодом. Поэтому применение находит даже монохроматор с относительно большой шириной шели порядка 0,1 нм. Но следует помнить, что в случае атомно-абсорбционной спектроскопии приходится регистрировать мельчайшие изменения излучения лампы наряду, нередко с довольно значительным, паразитным излучением. Поэтому вся оптика должна быть максимально светосильной, а монохроматор — с малым рассеянием.

Главной задачей дальнейшего развития является снижение уровня шумов с целью улучшения исходного сигнала. Основные виды шумов таковы:

Измеренные детектором сигналы далеко не всегда устойчивы. Дробовой шум есть основной шум от компонентов, проявляющийся даже при отсутствии пламени или пробы. Отношение сигнал/шум пропорционально где I есть интенсивность света. Следовательно, оптическая система должна отдавать столько интенсивности, насколько это возможно, а это требуется наличия простой оптики. Монохроматор должен обладать хорошим разрешением, чтобы удерживать минимальной кривизну градуировочного графика, в противном случае не избежать ухудшения воспроизводимости при повышенных концентрациях.

Еше одним источником шумов является пламя, которое, с одной стороны, поглощает излучение лампы с полым катодом и, с другой стороны, само дает излучение. Этот эффект следует по возможности снижать путем тщательного конструирования горелки и правильного выбора условий горения пламени. Концентрационные шумы вызываются колебаниями в процессе распыления и представляют собой достаточно сложную проблему, особенно при высоких концентрациях проб. Подобной явление тоже можно минимизировать при грамотной разработке используемого распылителя и смесительной камеры.

Потребность в простой, светосильной оптической системе легче всего удовлетворить с помощью простейшего варианта однолучевого спектрометра. Оптическое однолучевое устройство в атомно-абсорбционной спектроскопии функционирует с малым числом оптических компонентов (рис. 9.29). Поэтому потерь света здесь гораздо меньше, чем при традиционном двухлучевом исполнении. Это дает особенно высокое светопропускание, обеспечивающее превосходное отношение сигнал/шум и наилучшие пределы обнаружения. Комбинированные исполнения оптической системы гарантируют нечувствительность к термическому дрейфу, так что от термостатизации здесь можно отказаться.

У двухлучевого прибора излучение источника света делится вращающимся секторным зеркалом на измерительный луч через атомизатор и луч сравнения вокруг атомизатора, после чего эти лучи вновь объединяются прерывателем (рис. 9.30). Электроника этой системы рассчитана таким образом, что образуется отношение обоих лучей. Оба они выходят из одного и того же источника света, проходят через один и тот же монохроматор, улавливаются одним и тем же детектором и усиливаются одной и той же электроникой, чем достигается полная компенсация изменений в излучении лампы, в чувствительности детектора или усилении. В первую очередь, именно поэтому стабильность данной системы превосходит стабильность однолучевой системы.

Двухлучевые приборы необходимы для регистрации спектров, в которых с длиной волны изменяется как интенсивность излучения, так и чувствительность монохроматора (response). Но полный атомный спектр достаточно редко регистрируется в рутинной лабораторной аналитике - чаще наблюдается лишь одна атомная линия при одной длине волны. Второй аргумент в пользу двухлучевого принципа заключается в долговременной стабильности, за счет чего якобы компенсируется даже горячее горение лампы после включения. Но ведь такое горение до начала излучения лампы длится всего несколько минут. Кроме того, все приборы оснащены переключателем ламп, действующим таким образом, что требуемые лампы включаются и горят, нагреваясь, еще до начала собственно элементного анализа.

Современные атомно-абсорбционные спектрометры с однолучевой оптической системой по такому показателю, как дрейфоустойчивость, приближаются к двухлучевым системам, но имеют техническое преимущество более высокого светопропускания и позволяют довольствоваться простым и компактным конструктивным исполнением. Интенсивность света 1₀ незадолго до измерения пробы всегда определяется на основе схемы автоматического нуля (Auto-Zero). В пламенной технике это происходит в результате всасывания «холостого» раствора, в печи с графитовой трубкой — путем измерения незадолго до и сразу после собственно атомизации, причем обе величины интерполируются.

В качестве еще одной альтернативы предлагается так называемая система «singlepath, double-beam», то есть речь идет об однолучевом спектрометре с максимальным светопропусканием и двухлучевой стабильностью базовой линии - в результате ее автоматической коррекции при наличии автоматизированной горелки или печи с графитовой трубкой. Горелка, приводимая в действие шаговым двигателем, направляет свое пламя в ход лучей исключительно для проведения измерений, в остальное же время находится за пределами хода лучей (рис. 9.31). Таким образом, до начала измерения, то есть еще пока горелка пребывает вне хода лучей, осуществляется автоматическая коррекция базовой линии, с которой соотносится следующее далее измерение. Этим сглаживаются колебания энергии, например дрейф лампы во время ее нагревания, таким же образом, как это бывает в оптическом двухлучевом приборе, хотя и при значительно более высоком светопропускании.

Частота, с которой считывается сигнал абсорбции, играет огромную роль при распознавании быстро меняющихся сигналов, особенно в случае печи с графитовой трубкой. Это чрезвычайно важно и для систем с компенсацией фона, где быстрые сигналы приходится еще и сравнивать друг с другом. Прогресс в области микроэлектроники способствовал успехам в деле внутрисистемного сбора и обработки данных. В настоящее время уже реализованы приборы с частотами переключений до 200 с^-1. Это позволяет надежно компенсировать фоновые характеристики до 2 единиц абсорбции, что соответствует ослаблению начального света до 1% [9.52].

Один-единственный сигнал не в состоянии содержать объем информации, достаточный для целесообразного использования в дальнейших расчетах. В связи с этим предлагается регистрировать несколько сигналов, интегрировать их и выводить среднее значение. Такой метод однозначно показан для динамических систем, каковой, в сущности, и является атомизация. Из серии считанных данных автоматически вычисляется среднее значение и его стандартное отклонение. Наблюдаемые «выбросы» при этом легко распознаются. В случае пламенной техники представляется более благоприятным выполнять несколько коротких интегрирований с образованием средних значений, чем прибегать к долгому считыванию каждого отдельного показания.

Все пламенные атомно-абсорбционные спектрометры используют системы ламинарного горения с концентрическим, пневматическим распылителем. Они оснащены встроенным механизмом поджига и контроля пламени. Подключенная дренажная система заботится об эффективном и непрерывном сливе избыточного раствора. Газ подается с микропроцессорным управлением, причем предусмотрено отключение его подачи в случае каких-либо сбоев и неисправностей. Одним нажатием кнопки можно автоматически переключиться с пламени смеси воздуха и ацетилена на пламя смеси закиси азота и ацетилена.

Предлагаемые базовые устройства коммерческого назначения относятся к более низкой категории цен, чем однолучевые приборы с пламенной атомизацией и дейтериевой лампой для фоновой коррекции. Они используются для измерений повышенных концентраций с пламенем, если только требуется определить всего один элемент либо ограниченное их число. Но эти устройства сконструированы таким образом, что их можно без особого труда дополнительно оснастить графитовой кюветой или системой, функционирующей по принципу холодного пара и/или на основе гидридных соединений.

Приборы среднего и чуть выше среднего класса рассчитаны на чрезвычайно сложные материалы с высоким специфичным фоном, сильными помехами и/или очень низким содержанием элементов, лежащим часто где-то у предела обнаружения. В такой ситуации обычно уже не хватает имеющихся возможностей компенсации и/ или отношения сигнал/шум при коррекции фона с помощью излучателей со сплошным спектром. Для прецизионных измерений предлагаются тогда фоновые компенсаторы, функционирующие на основе эффекта Зеемана либо по принципу Смита — Хифти. Они однозначно превосходят дейтериевые компенсаторы и даже при исследовании твердых образцов дают до определенной степени верные результаты. Благодаря этому можно проводить анализы даже в самых тяжелых матрицах на основе лишь минимальной пробоподготовки. Такое оборудование предлагается уже с комплектным оснащением, то есть полностью компьютеризованным, с монитором для отображения функций прибора, с оптимизированными применительно к конкретным элементам программами и с одновременным представлением фонового сигнала.

Широкий и разнообразный выбор необходимых принадлежностей позволяет создать специальные измерительные площадки, в полной мере отвечающие требованиям многостороннего элементного анализа. Предлагаемые приспособления для работы сразу нескольких ламп с полым катодом или безэлектродных разрядных ламп (ламповые револьверные головки) создают условия для последовательных анализов множества элементов в одном аналитическом растворе, а с компьютерным программированием — еще и в полностью автоматическом режиме. Для пламенных измерений имеются многочисленные варианты с большим разбросом цен, охватывающие широкую гамму от регулируемых вручную до надежных компьютеризованных систем для проведения особо точных измерений.

Предлагается множество самых разных исполнений графитовых трубчатых печей. Они оснащены контрольными устройствами для области низких температур (при термическом разложении) и для области высоких температур (при атомизации), а также разнообразными возможностями программирования «время — температура — защитный газ». Там, где в дополнение к защитному газу предусмотрена еще подача программированных объемов альтернативных газов (водорода, воздуха, кислорода и т.д.), предлагаются дальнейшие варианты более чувствительного определения элементов. Для всех приборов с пламенной либо электротермической атомизацией имеются сегодня автоматически действующие жидкостно-дозировочные системы. Более совершенные системы могут программироваться для использования непосредственно в атомизаторе.

И наконец, следует упомянуть о том, что у всех приборов нового поколения предусмотрено присоединение через подходящие интерфейсы одной или нескольких систем атомно-абсорбционной спектроскопии к лабораторным либо даже более крупным вычислительным машинам, что создает дополнительные возможности обработки данных и управления, вплоть до комплектной автоматизации всей лаборатории. Обширное предложение базовых атомно-абсорбционных приборов и разнообразных принадлежностей дает сегодня в руки исследователя, при грамотном выборе и квалифицированном применении, отличный инструментарий для реализации надежной элементной аналитики, обеспечивающий благодаря новым разработкам правильное — до известных пределов — определение. Технический прогресс в сфере атомно-абсорбционной спектроскопии позволяет надеяться на продолжение работ по многим научно-исследовательским программам и несомненный успех в самом скором будущем.

Целью автоматизации является, кроме прочего, компенсация промахов и нечеткой работы аналитика уже на стадии отбора проб, их подготовки и дозирования. Это особенно важно в ультраследовой аналитике, где даже малейшее загрязнение может погубить любое исследование. В атомно-абсорбционной спектрометрии операция пробоподготовки связана с большими затратами времени и средств. В качестве альтернативы предлагается так называемый проточно-инжекционный метод, который находит применение как для автоматизации всего аналитического процесса, так и для обогащения проб. В случае же высоких концентраций эту технику можно использовать для автоматического разбавления проб с целью достижения области справедливости закона Ламберта — Бера.

Метод проточно-инжекционного анализа известен уже более 20 лет, но лишь в последние годы стал успешно применяться в многочисленных модификациях в самых разных сферах [9.56]. Принцип данной методики несомненно можно считать одним из самых интересных среди последних разработок на уровне коммерческих систем. Вот ее основные преимущества: автоматический режим работы, простое обслуживание, экспрессность анализа, низкий расход реагентов и проб, а также подача точно выверенного объема исследуемого вещества. Можно с уверенностью предположить, что проточно-инжекционный анализ будет и в последующие годы оказывать существенное влияние на всех направлениях, в том числе и в области атомно-абсорбционной спектрометрии. Сочетание проточной инжекции с атомно-спектрометрическими приемами открывает множество новых областей применения — и не только в атомно-абсорбционной спектроскопии, но также в атомно-эмиссионной и плазменной масс-спектрометрии.

Проточно-инжекционный анализ в качестве самостоятельного аналитического метода был разработан в 1975 г. [9.57], и в упрощенном виде его можно описать следующим образом. Если заданный, точно установленный объем жидкой пробы впрыскивается в непрерывно движущийся поток несущей жидкости, этот носитель увлекает пробу за собой. Показанный на рис. 9.33 инжекционный вентиль выполняет две функции. В позиции LOAD (загрузка) мерная петля заполняется точно выверенным объемом жидкой пробы. В позиции INJЕСТ (впрыск) проба вводится в не прерывно движущийся несущий поток. Параметры при этом можно выбирать с таким расчетом, чтобы исключить сколько-нибудь значимое перемешивание. Далее проба проходит через смесительную камеру, где, в результате добавления раствора реактива, во время транспортировки протекает соответствующая химическая реакция, после чего проба попадает в подходящую систему детектирования. Для смешивания растворов с малым гидравлическим сопротивлением достаточно простых, недорогих, рукавных насосов перистальтического действия с низким рабочим давлением.

Размер и оснащение места измерения методом атомно-абсорбционной спектроскопии зависят преимущественно от поставленной аналитической задачи, личных предпочтений сотрудников и, конечно, от финансовых средств, коими располагает лаборатория. Уже в самом начале планирования нового рабочего места необходимо внимательно ознакомится с отличительными особенностями и преимуществами всех возможных атомизаторов, ибо требуемая площадь и затраты на монтаж не в последнюю очередь определяются именно выбранным механизмом атомизации. При расчете занимаемого пространства несомненное значение играют также используемые принадлежности, как то: автоматические механизмы подачи проб, системы обработки данных, самописцы, принтеры и т.д. Наконец, необходимо учитывать требуемые для подготовки пробы устройства, инструменты и прочее оборудование.

В элементной аналитике атомно-абсорбционная спектрометрия благодаря простоте и высокой селективности метода завоевала прочное место на уровне стандартного оснащения химико-аналитической лаборатории, предлагая достаточно простое решение многих аналитических задач. Эта методика особенно широко распространилась в последние годы, а разработка необходимого для нее оборудования обеспечила возможность проведения многих, ранее трудно выполнимых анализов прежде всего благодаря надежно работающему механизму смены проб и программному обеспечению по управлению процессом. Накопление опыта работы с этой техникой позволяет надеяться на дальнейшее успешное применение атомно-абсорбционной спектрометрии, в частности, в сфере определения следов и ультраследов элементов. Каких-то значимых инноваций здесь пока не ожидается.

В качестве классического атомизатора при атомно-абсорбционной спектрометрии выступает пламя. Пламенная атомно-абсорбционная спектроскопия является сегодня одним из самых совершенных методов анализа. Требования к спектрометрам с точки зрения коррекции фона и скорости обработки данных здесь ниже, чем при работе по методу графитовой трубчатой печи. Фоновое поглощение остается довольно низким вследствие разбавления пробы пламенными газами. Пламенную технику характеризует быстрая и хорошая воспроизводимость, однако пределы обнаружения у нее несколько ограничены.

В осуществлении загрузки и подачи проб был достигнут значительный прогресс. Более эффективному выходу аэрозоля и желаемому уменьшению размера капель в немалой степени способствовал принцип распыления аналитического раствора под высоким давлением, за счет чего удалось заметно улучшить способность к обнаружению. Метод пламенной атомно-абсорбционной спектроскопии используют теперь даже в режиме реального времени при элементно-специфичном обнаружении после разделения по принципу жидкостной хроматографии, причем требуемое для разделения давление одновременно служит целям распыления раствора при атомно-абсорбционном анализе.

Способ графитовой трубчатой печи как вариант атомно-абсорбционной спектрометрии получила широкое признание в области следовых и ультраследовых определений более чем 50 элементов. Со времени внедрения этого способа в 1970 г. была получена разнообразная дополнительная информация, позволившая успешно работать над совершенствованием относящегося сюда оборудования. Печь с графитовой трубкой стала проявлять более высокую чувствительность обнаружения, но и более явную подверженность воздействию помех, чем пламенная техника. К спектрометрам в данном случае приходится предъявлять самые высокие требования, особенно в отношении компенсации фона.

Для достижения возможности слежения за быстрыми изменениями концентрации атомов в графитовой трубке крайне необходима ускоренная обработка данных. Отличающийся высоким разрешением способ измерения фона с использованием эффекта Зеемана непосредственно на атомной линии дал здесь превосходные результаты.

Дополнительное применение компьютерной техники с одновременной обладающей высоким разрешением графической записью с отображением на экране дисплея специфичных и неспецифичных сигналов оказывает неоценимую помощь в деле развития и совершенствования метода, особенно при исследовании сложных проб. Интегрирование площадей сигналов вместо оценки их уровня дает несравнимо более воспроизводимые результаты.

Путем принятия мер разного характера удалось добиться протекания атомизации в необходимом термическом равновесии. Системные погрешности при (фракционированном) испарении могут быть сглажены за счет использования изотермической печи, которая в виде версии с поперечным нагревом предлагается сегодня в ряде коммерческого оборудования. Это позволило превратить атомно-абсорбционную спектроскопию по способу графитовой трубчатой печи в аналитический прием, почти не обремененный помехами. Новые способы отбора проб и компьютеризованные механизмы их подачи закладывают фундамент надежного определения элементов в ультраследовом диапазоне. Техника по принципу графитовой трубки в современном исполнении достаточно совершенна и относится к важнейшим методам анализа мельчайших следов элементов. Она находит применение не только в биологии и медицине, но и во многих других областях — в микроэлектронике, определении качества воды, исследовании свойств химикатов и т.д.

Анализ твердых веществ по методу графитовой трубчатой печи продолжает набирать популярность и уже стал инструментом рутинной лабораторной практики. Прямой ввод материала пробы в измерительный процесс без всякой химической подготовки заметно увеличивает пропускную способность метода. По быстроте и правильности анализа атомно-абсорбционная спектроскопия твердых веществ далеко превосходит традиционную технику с приведением проб в растворимую форму. Появились новые интересные области применения, например прямое определение содержащихся в пластиках металлов, добавляемых туда в качестве красочного пигмента (кадмий) или стабилизатора.

Следует особо остановиться на анализах с применением гидридов и холодных паров ртути. Преимущество этого метода состоит в отделении определяемого элемента от мешающей матрицы. Поэтому измерение проводится с высокой точностью без всякой фоновой коррекции. Требования к спектрометрам здесь намного мягче, чем в случае техники с графитовой трубкой.

Полная настройка, управление и контроль за функционированием спектрометра, графитовой трубчатой печи, механизмов автоматической подачи проб, а также проточно-инжекционной системы осуществляются с помощью компьютера. Наряду с системным контролем, современное программное обеспечение позволяет также сохранять сигналы, разные методы калибровки, градуировочные графики, поправочные коэффициенты веса проб, результаты анализов и последующей обработки полученных данных. Следует еще раз подчеркнуть, что все эти прекрасные характеристики: удобство обслуживания, многофункциональность, высокая аналитическая эффективность - предлагаются по вполне приемлемой цене.

В настоящее время посредством кодированных ламп с полым катодом автоматически устанавливаются длина волны и размер щели. С помощью механизма переключения ламп достигается автоматический последовательный многокомпонентный анализ: возможно исследование до 10 элементов. Компьютер берет на себя все необходимые настройки оборудования, в том числе юстировку ламп и оптимизацию горелок. С прогрессом в области разработок перестраиваемых диодных лазеров возросло их применение в качестве линейчатых излучателей, так что теперь они практически вытесняют лампы с полым катодом^[25]. До сих пор был доступен интервал длин волн выше 320 нм, что уже позволяло проводить измерения достаточно большого числа элементов. Но лишь с момента, когда стала доступна вся УФ-область спектра, появилась возможность отказаться от классической лампы с полым катодом. В итоге отпадает собственно спектрометрическая часть, и можно проводить одновременные многоэлементные определения с еще лучшей обнаружительной способностью в большом динамическом диапазоне, и все это, повторяем, с весьма умеренными затратами. Диодные лазеры достаточно дешевы даже с учетом относящейся к ним электроники, требуемой для их эксплуатации и перестройки. Так как на основе перестройки диодных лазеров можно осуществлять также фоновую коррекцию на первичном источнике, эта проблема вряд ли была бы решена без привлечения дейтериевой лампы или эффекта Зеемана.

Благодаря проточно-инжекционным методам, которые уже достигли высокого коммерческого уровня развития, эффективность решения стандартных аналитических задач резко пошла вверх. Хроматографические колонки для предварительного обогащения следов элементов, срабатывающие до начала процесса атомно-абсорбционной спектрометрии, позволяют на порядки улучшить способность к обнаружению.

Известный недостаток атомно-абсорбционной спектрометрии, заключающийся в том, что элементы могут определяться только последовательно друг за другом, в настоящее время частично уже преодолен. Путем моторизации и компьютеризации создаются условия для одновременного либо квазиодновременного определения сразу нескольких элементов.

Если к атому подвести достаточно высокую термическую энергию, то электроны при этом, преодолевая притяжение ядра, поднимутся с внутренних низкоэнергетических орбиталей на внешние высокоэнергетические орбитали. Теперь атом находится уже не в основном, а в возбужденном состоянии, но пребывает в нем лишь очень короткое время, и в среднем уже через 10^-8 секунд богатые энергией электроны вновь возвращаются в основное состояние или на энергетически более слабую орбиталь.

При возврате на уровни меньшей энергии разность освобождающихся энергий между начальным и конечным состояниями излучается в виде света, наблюдаемого как линия спектра. Вообще, возбужденный атом может принимать очень разные энергетические состояния, но отнюдь не любое их число, так что и возможное количество спектральных линий остается ограниченным. Согласно закону Кирхгоффа касательно поглощения и излучения, любое вещество может естественным образом поглощать свет только той же частоты, какую оно само способно излучать.

Но спектры поглощения и излучения элемента заметно отличаются числом наблюдаемых линий. Так, при используемых в атомной абсорбции температурах преобладающее число атомов находится в основном состоянии, и по этой причине наблюдаются практически только переходы сугубо из основного состояния. Напротив, при температурах возбуждения в атомной эмиссии достигаются самые

Сплошной спектр ионизации

разные состояния возбуждения атома, включая образование ионов. Но возврат электронов с испусканием света не всегда заканчивается в основном состоянии, электронные переходы могут осуществляться во все электронные состояния с меньшей энергией (рис. 11.1). В атомно-эмиссионном спектре при наличии большого числа возможных переходов это приводит к получению спектра с чрезмерно большим количеством линий. У железа, например, известно сегодня около 4700 линий излучения.

Линии излучения могут возникать при возврате электронов как из возбужденных атомных, так и из возбужденных ионных состояний. Итак, различают:

И те и другие находят применение в аналитике. Поскольку ионы имеют иные энергетические уровни электронных орбиталей, чем соответствующие незаряженные атомы, это дополнительно способствует увеличению числа линий. Ионизация может осуществляться через электронное столкновение, но условия ионизации в плазме чрезвычайно сложны в силу того, что в этих процессах занято слишком много участников.

Ионы дополнительно образуют непрерывный спектр, так как при захвате электрона из свободного газообразного состояния таковой может обладать любой кинетической энергией и, соответственно, отдавать ее при рекомбинации. Задача источника возбуждения для атомно-эмиссионной спектрометрии состоит в том, чтобы генерировать как можно больше возбужденных атомов и ионов, излучающих линейчатый спектр. В результате получается интенсивный линейчатый спектр содержащихся в пробе элементов.

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

где N₀ — число частиц в основном состоянии, N₁ — число частиц в возбужденном состоянии, A — вероятность перехода, g — 2J + 1, Z — сумма состояний.

Фактор g показывает статистический вес верхнего уровня, причем J есть суммарный момент количества движения. Сумма состояний охватывает m возможных форм энергии и определена как:

Таким образом, интенсивность I атомной линии находится в прямой зависимости от числа частиц N₀ По мере повышения температуры возрастает сначала интенсивность линии, которая к тому же еще зависит от конкретного элемента и типа перехода.

Но с повышающейся температурой ионизация все больше и больше выступает на передний план, то есть ионизационное равновесие смещается в пользу ионизированных частиц. При падающем числе нейтральных частиц N₀ должна, следовательно, понизиться и интенсивность рассматриваемой атомной линии. Поэтому ожидаемое с ростом температуры повышение интенсивности можно наблюдать лишь до тех пор, пока относительно мала степень ионизации. При более высоких температурах с убыванием излучающих нейтральных частиц преобладает обусловленное температурой повышение интенсивности. Тогда в силу физических процессов наблюдается с повышением температуры увеличение интенсивности ионных линий и уменьшение интенсивности атомных линий. Определение этих разных интенсивностей атомных и ионных линий элемента представляет собой способ измерения очень высоких температур.

Существует много разных форм плазмы, различающихся преимущественно степенью ионизации и энергией частиц. Для химико-аналитических целей интерес представляют лишь те плазмы, которые легко доступны, стабильны во времени, обладают разумной размерностью. Речь идет о так называемых равновесных плазмах, у которых в результате высокой степени ионизации и большой плотности частиц происходит быстрый обмен энергией между электронами, ионами и нейтральными частицами.

Плазма может точно определяться концентрацией атомов, ионов и электронов, а также температурой компонентов при заданном давлении. Поэтому, чтобы установить нужные для плазмы условия, приходится часто измерять температуры возбуждения, температуры ионизации и концентрацию, или плотность, электронов. Последняя, например, обычно составляет около 10¹⁵ см^-3.

Электрические разряды с плазмами при атмосферном давлении введены в обиход еще со времен начала оптических эмиссионно-спектральных анализов. Для элементного анализа используют три разных способа генерации плазмы, посредством которых получаются:

Эти источники излучения были разработаны в 60-х годах и в настоящее время предлагаются рынком в составе комплектных устройств для элементных анализов. Благодаря высоким температурам плазмы при работе с ней возможны лишь совсем незначительные химические помехи и низкие пределы обнаружения.

Атомно-эмиссионная спектрометрия с возбуждением индуктивно связанной плазмы (ИСП) среди аналитических методов со всеми прочими видами плазмы представляется наиболее удобной для пользователя. ИСП-спектрометры сочетают в себе типовые конструкционные элементы атомно-абсорбционных спектральных приборов (распылитель, распылительную камеру и систему горения) и компоненты оборудования из сферы эмиссионной спектрометрии, а именно дифракционного спектрометра высокого разрешения. Аппаратура ИСП включает в себя преимущественно три отдельных узла:

Необходимо учитывать и некоторые другие важные аспекты при использовании ИСП, как то: фактический уровень мощности высокой частоты на катушке индуктивности и применение «более холодного» газа в качестве охлаждающей оболочки. Среди прочих факторов можно назвать также механическую гибкость всей системы горелок в направления x/y/z, необходимую для подгонки к внешней оптической системе.

Спектрометры одновременного и последовательного действия, используемые в начальный период развития оптической атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП, разрабатывались преимущественно для искровой эмиссионной и атомноабсорбционной спектрометрии. Классическая оптическая эмиссионная спектрометрия с электрической дугой и искрами активно вытеснялась спектрометрией растворов с плазмами.

С учетом стабильной подачи проб и генерации устойчивого сигнала, оптическая атомно-эмиссионная спектрометрия с ИСП может успешно проводиться со спектрометрами как одновременного, так и последовательного действия. При одновременном измерении отмечается короткое время анализа на каждый элемент и высокая точность при использовании стандартных образцов, но зато здесь невозможен свободный выбор элементов и аналитических линий, что требуется, например, в случае изменений объемов загружаемой пробы.

ИСП с 1964 г. активно использовалась для возбуждения в области эмиссионной спектрометрии и получила широкое распространение в многочисленных лабораториях с самыми разными аналитическими задачами. С течением времени применяемое для указанной цели оборудование, безусловно, развивалось и совершенствовалось, в противном случае техника ИСП не оставалась бы столь популярной. Сегодняшние требования к современным И СП-спектрометрам состоят прежде всего в возможности эффективной автоматизации, позволяющей сократить численность обслуживающего персонала и обеспечивающей работу приборов на полную мощность даже по ночам.

Критерии выбора ИСП-спектрометров, в общем, давно известны, и рынок предлагает устройства на основе примерно следующей классификации:

Из основных узлов И СП-системы важнейшим является диспергирующий элемент, поскольку он непосредственно определяет качество и правильность выполняемого аналитического исследования. Если спектрометр обладает плохим разрешением, это не удастся компенсировать ни эффективным возбуждением, ни наличием прекрасного детектора. Так как при плазменном возбуждении речь идет об атомно-эмиссионном методе, то к диспергирующему элементу предъявляются чрезвычайно высокие требования. В отличие от атомно-абсорбционной спектроскопии, при которой узкая и специфичная для конкретного элемента спектральная линия лампы с полым катодом отодвигает разрешающую способность оптической системы на задний план, при ИСП селекция по элементам осуществляется единственно и исключительно через оптику. Поэтому дооснащение имеющихся атомно-абсорбционных спектральных приборов блоком И СП-возбуждения невозможно уже по причине недостаточного разрешения атомно-абсорбционных спектрометров.

В атомно-эмиссионной спектрометрии может успешно использоваться также область спектра УФ в вакууме ниже 190 нм. Для этого стоит лишь позаботиться об обдуве диспергирующего элемента инертным газом. Тогда многие неметаллы, имеющие линии излучения в этой спектральной области, например сера и фосфор, будут, в отличие от атомно-абсорбционной спектрометрии, вполне пригодны для аналитического определения.

Наряду с этими основополагающими параметрами оборудования, особое значение приобретают функции приборов с точки зрения качества анализа, его протекания и связанных с ним затрат. Здесь имеются в виду: воспроизводимость и правильность результатов, скорость хода анализа, уровень сложности обслуживания, вариабельность программ обработки данных, общие эксплуатационные расходы и, наконец, стоимость собственно анализа. Чтобы гарантировать точность результатов также в автоматизированном ночном режиме работы, требуется соответствующее, специально разработанное, программное обеспечение [11.16].

Необходимо четко разделять спектрометры одновременного и последовательного действия, различающиеся своим диспергирующим элементом (см. табл. 11.2). В случае приборов второго поколения речь идет о комбинированных (одновременных + последовательных) устройствах совершенно новой концепции. «Сердцем» таких спектрометров является эшелле, отличающаяся высоким качеством отображения, малым рассеянием, прекрасным спектральным разрешением и большой силой света.