Люминесцентный анализ методические рекомендации (стр. 2 из 4)

с - молярная концентрация, моль/л;

k – коэффициент, зависящий от природы вещества.

Эта зависимость соблюдается лишь в том случае, если содержание определяемого компонента в пробе не превышает некоторого порогового значения:

10^-4…10^-3 М (для жидких проб);

10^-4…10^-3 % (для твердых проб).

Проведение количественного люминесцентного анализа осложняется тем, что интенсивность люминесценции зависит не только от содержания определяемого вещества в пробе, но и от ряда других факторов: тушения люминесценции, значения рН среды, массовой доли комплексонов и др. В связи с этим, следует строго соблюдать все рекомендации, касающиеся подготовки проб, а также условия возбуждения и регистрации спектров люминесценции.

Чаще всего для возбуждения люминесценции используют источники ультрафиолетового (УФ) излучения. Если же люминофор обладает интенсивным поглощением в видимой области спектра, то для возбуждения его люминесценции можно использовать лампу накаливания. В настоящее время для возбуждения люминесценции все чаще используют лазерное излучение.

Люминесцентный метод анализа, так же как и фотометрический метод, относятся к группе оптических методов анализа, и потому они имеют много общего. Однако по сравнению с фотометрией люминесцентный метод имеет существенные преимущества. Прежде всего, чувствительность люминесцентного метода гораздо выше чувствительности фотометрического метода. Это связано с тем, что в люминесцентном методе определяют абсолютную величину светового потока, испускаемого возбужденной молекулой, и, таким образом, отношение полезного сигнала к шуму очень велико. В противоположность фотометрическому методу (где измеряется величина отношения двух световых потоков) в люминесцентном методе величина фототока, пропорциональная свету люминесценции, может быть многократно усилена электронным усилителем. Последнее обстоятельство позволяет определять количества вещества, на один-два порядка меньшие, чем в фотометрическом методе анализа.

Второе преимущество заключается в относительно высокой селективности люминесцентного метода анализа, поскольку сравнительно небольшое число веществ способно люминесцировать.

1.2 Методы определения содержания веществ

в люминесцентном анализе

Определение содержания вещества в пробе люминесцентным методом основано на сравнении интенсивности люминесценции пробы и стандартных образцов. Последние должны отвечать ряду требований:

- содержание определяемого вещества в стандартном образце должно быть точно известно;

- химический состав матрицы (основы) стандартного образца должен быть идентичен (или подобен в практически достижимой мере) матрице пробы;

- стандартный образец и проба должны обладать близкими физическими свойствами.

В практике люминесцентного анализа используют как жидкие, так и твердые стандартные образцы. Жидкие стандартные образцы готовят растворением определяемого вещества в подходящем растворителе. При этом в раствор добавляют в необходимых количествах вещества, составляющие основу пробы. Применение люминесценции кристаллофосфоров для определения неорганических веществ связано с использованием твердых стандартных образцов. Как правило, процедура их приготовления трудоемка, требует тщательности и особых мер предосторожности и обычно проводится на специальной аппаратуре.

Для расчета содержания вещества в пробе по результатам люминесцентных измерений чаще всего используют метод градуировочного графика, сравнения и добавок.

Метод градуировочного графика. В этом методе измеряют интенсивность люминесценции серии стандартных образцов (обычно не менее пяти), охватывающих весь диапазон ожидаемых содержаний определяемого вещества в пробе, и строят график зависимости интенсивности люминесценции от массовой доли определяемого вещества. В идеальном случае градуировочный график должен быть линейным и проходить через начало координат. На практике он оказывается линейным лишь в узком диапазоне содержаний определяемого вещества и редко выходит из начала координат.

Метод добавок. Наиболее простой способ приготовления стандартных образцов, соответствующих пробе по составу матрицы, заключается в использовании метода добавок. Его целесообразно использовать в тех случаях, когда состав матрицы пробы неизвестен или меняется от пробы к пробе.

Сущность метода заключается в следующем. Берут три одинаковых образца пробы. Ко второму и третьему образцам добавляют точное количество определяемого вещества. Размеры добавок подбираются с таким расчетом, чтобы содержание определяемого вещества во всех трех образцах пробы после указанной процедуры отвечало соотношению

сх : (сх +Dc₁): (сх +Dс₂) = 1:2:3,

где Dc₁ и Dс₂ - изменение содержания определяемого вещества, вызванное процедурой добавки.

После измерения интенсивности люминесценции всех трех образцов строят график в координатах «I-Dc». Содержание определяемого вещества в пробе сх находят путем экстраполяции графика на значение I =0.

1.3 Флуориметрия

В аналитической практике наиболее широкое применение получила фотолюминесценция, а именно флуоресценция. Флуоресценция - это характерное свечение анализируемых растворов и кристаллофоров в ультрафиолетовом свете.

Флуориметрия - метод определения содержания люминофора в растворе, основанный на измерении спектра его флуоресценции. В основе этого метода лежат следующие закономерности.

Независимость спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света. Это объясняется тем, что возбужденные молекулы, поглотившие кванты различной величины, попадают на уровни разных возбужденных электронно-колебательных состояний. После такого перераспределения избыточной энергии происходит излучательный переход с одних и тех же электронных уровней, поэтому спектр люминесценции не изменяется.

Закон Стокса–Ломмеля. Стоксом было сформулировано правило, согласно которому спектр флуоресценции вещества всегда имеет большую длину волны, чем спектр поглощения. Ломмель уточнил правило Стокса, предложив для него следующую формулировку: «Спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн». Закон Стокса-Ломмеля строго выполняется для широкого круга флуоресцирующих веществ.

Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и излучения. Это правило характеризует взаимное расположение спектров поглощения и излучения веществ, обладающих люминесценцией, и может быть сформулировано следующим образом: «Нормированные (приведенные к одному максимуму) спектры поглощения и излучения, изображенные в функции частот, зеркально симметричны относительно прямой, проходящей перпендикулярно к оси частот через точку пересечения обоих спектров» (рисунок 1). Это правило весьма полезно при выполнении люминесцентного анализа, а также при расшифровке спектров и установлении энергетических уровней исследуемых молекул.

У веществ, подчиняющихся правилу зеркальной симметрии, можно по одному из спектров (поглощения или люминесценции) без их измерений установить форму другого спектра и выбрать подходящие для данного вида анализа светофильтры.

Рисунок 1 - Зеркальная симметрия спектров поглощения ε = f (v)

(кривая 1) и флуоресценции I/v = f(v) (кривая 2) родамина 6Ж в ацетоне

Вещества-люминофоры определяют по их собственной флуоресценции. Если определяемые вещества не являются люминофорами, то для их определения используют люминесцентные реакции. Последние должны сопровождаться возникновением или ослаблением флуоресценции раствора. Как и каждая реакция, применяемая в анализе, люминесцентная реакция должна протекать быстро, количественно, быть воспроизводимой и по возможности избирательной. При флуориметрическом определении ионов металлов чаще всего используют реакции комплексообразования с органическими реагентами. В идеальном случае применяемые для анализа реагенты не должны флуоресцировать, а образующиеся комплексы, напротив, должны обладать интенсивной флуоресценцией. Молекулы таких реагентов обычно имеют неплоскую и нежесткую ароматическую структуру и содержат электронодонорные заместители. В результате комплексообразования они приобретают плоскую жесткую конфигурацию, склонную к флуоресценции.

Для определения анионов часто используют косвенный флуориметрический метод, основанный на тушении люминесценции. Примером такого метода может служить определение иодид-ионов по тушению флуоресценции флуоресцеина.

На чувствительность флуориметрических определений существенное влияние оказывает присутствие посторонних веществ. Посторонние вещества могут снижать выход люминесценции либо уменьшать интенсивность свечения люминофора за счет эффекта внутреннего фильтра, понижая тем самым чувствительность определений. Для достижения максимальной чувствительности определения из двух реагентов выбирают тот, который приводит к образованию люминофора, характеризующегося минимальным перекрыванием спектров поглощения и излучения.

Пределы обнаружения веществ флуориметрическим методом составляют от 10^-8 до 10^-4 %.

1.4 Аппаратура для люминесцентного анализа

При проведении люминесцентного анализа необходимо измерять всевозможные спектрально-люминесцентные характеристики люминофора: интенсивность люминесценции, спектр возбуждения, спектры люминесценции и др. С этой целью используют различные люминесцентные приборы. Каждый такой прибор включает в себя шесть основных узлов: