Производная спектрометрия и её возможности в химическом анализе (стр. 3 из 6)
Решая эти два уравнения с двумя неизвестными с1 и с2, можно определить обе концентрации:
Аналогично можно провести измерения и расчеты и в тех случаях, когда в анализируемом растворе одновременно присутствуют более двух определяемых веществ. Рассматриваемым методом можно определять медь, кобальт и никель при их совместном присутствии в виде комплексонатов фотометрированием раствора при трех длинах волн (436; 367 и 328 нм); амидопирин и кофеин — при 272 и 255 нм; дикаин и новокаин — при 311 и 290 нм и т.д. [2]
1.2 Дифференциальный фотометрический анализ. Понятие о производной спектрофотометрии
Описанный выше метод фотометрии иногда называют непосредственной спектрофотометрией (фотометрией), когда светопоглощение анализируемого раствора измеряют по отношению к раствору сравнения, оптическая плотность которого близка к нулю (принимается равной нулю).
Кроме метода непосредственной спектрофотометрии разработаны и нашли применение дифференциальная спектрофотометрия (фотометрия) и производная спектрофотометрия.
Большой вклад в развитие современной дифференциальной и производной спектрофотометрии, особенно ее приложений к исследованию и анализу лекарственных препаратов, внесли отечественные ученые В. Г. Беликов и Е. Н. Вергейчик. [1, 2]
1.2.1 Дифференциальная спектрофотометрия (фотометрия)
Если светопоглощение анализируемого раствора измеряют по отношению к среде сравнения (раствор сравнения, диафрагма, оптический клин), оптическая плотность А которой существенно больше нуля (например, А = 0,1—1,0), то такой спектрофотометрический метод называют дифференциальной спектрофотометрией, или дифференциальным фотометрическим анализом.
Одно из основных достоинств дифференциальной спектрофотометрии состоит в уменьшении ошибки спектрофотометрических определений. Поэтому дифференциальную спектрофотометрию иногда называют прецизионной спектрофотометрией.
Дифференциальная спектрофотометрия используется, в частности, при получении ИК спектров поглощения таких веществ, у которых наблюдается большое общее рассеивание света, вследствие чего светопропускание в ИК области сильно понижается (иногда до 10—20%), спектры получаются нечеткими, полосы поглощения трудно идентифицируются. Для устранения этого явления в канал сравнения вводят диафрагму, перекрывающую часть светового потока. При этом шкала пропускания расширяется и ИК спектры поглощения получаются более четкими, полосы поглощения идентифицируются надежно.
Среди различных вариантов дифференциальной спектрофотометрии в аналитической практике распространен простой способ, когда оптическую плотность анализируемого раствора измеряют по отношению к раствору сравнения, содержащему то же определяемое вещество, что и анализируемый раствор, но с несколько меньшей концентрацией. В этом случае измеряемая относительная оптическая плотность Ах равна разности оптической плотности анализируемого раствора и оптической плотности А0 раствора сравнения.
Метод используют тогда, когда концентрация раствора — большая (десятки процентов) и оптическая плотность — высока. При высокой оптической плотности возрастает ошибка непосредственных спектрофотометрических определений. Применение же раствора сравнения, также содержащего определяемое вещество, позволяет уменьшить измеряемую относительную оптическую плотность Ах анализируемого раствора, расширить протяженность шкалы светопропускания и снизить ошибку определений до нескольких десятых долей процента.
Наименьшую ошибку получают тогда, когда разность оптических плотностей измеряемого раствора и раствора сравнения минимальна, а оптическая плотность раствора сравнения — высокая, вплоть до А = 1. Однако на практике все же приходится избегать применение раствора сравнения с очень высоким светопоглощением, так как при этом уменьшается энергия светового потока, попадающего в приемник излучения, вследствие чего работа приемника излучения становится менее устойчивой, уменьшается отношение сигнал: шум (уровень шумов обусловлен особенностями конструкции спектрофотометра). Для увеличения энергии светового потока приходится увеличивать ширину щели спектрофотометра.
Сущность метода состоит в следующем. Готовят ряд (пять—десять) эталонных растворов определяемого вещества с различной, точно заданной концентрацией с0, с1, с2, ..., сn. Вначале при выбранной длине волны в оба канала спектрофотометра помещают одинаковые кюветы с одним и тем же эталонным раствором (концентрация определяемого вещества равна с0), относительно которого будут проводить последующие измерения, и устанавливают шкалу оптической плотности в положение А = 0.
Затем при той же постоянной аналитической длине волны измеряют оптическую плотность Аi (i = 1; 2; ...; n) каждого эталонного раствора и оптическую плотность Ах анализируемого раствора относительно эталонного раствора с концентрацией с0 и собственной оптической плотностью А0 (относительно чистого растворителя), после чего находят концентрацию сх определяемого вещества в анализируемом растворе следующими способами.
Расчетный способ. При этом способе предполагается выполнимость основного закона светопоглощения. В соответствии с этим законом можно написать:
Ах = e l(сх – с0),
cx – c0 = Ax / e l,
cx = c0 + Ax / e l
где e — молярный коэффициент погашения определяемого вещества, l — толщина поглощающего слоя. Если ввести фактор пересчета
F = l / el,
то последнее уравнение можно переписать в виде:
cx = c0 + F Ax
Это уравнение и используют для расчета концентрации сх определяемого вещества на основании измерения Ах и при известной концентрации с0 эталонного раствора сравнения.
Рис. 4. Градуировочный график в методе дифференциальной спектрофотометрии для нахождения концентрации сх определяемого вещества в растворе по измеренной оптической плотности Ах
Фактор пересчета F находят по результатам измерений оптических плотностей Аi эталонных растворов относительно эталонного раствора с концентрацией с0:
Аi = e l(сi – с0),
F = 1 / e l = (ci – c0) / Ai
Рассчитывают среднее значение фактора пересчета
где п — число измеренных эталонных растворов.
Способ градуировочного графика. По полученным экспериментальным значениям Ai строят градуировочный график, откладывая по оси абсцисс известные величины концентрации эталонных растворов сi, а по оси ординат — значения оптической плотности Аi эталонных растворов, измеренной относительно эталонного раствора с концентрацией с0 (рис. 4). По этому графику, зная измеренное значение Ах, находят концентрацию сх определяемого раствора.
Часто строят серию градуировочных графиков, используя каждый раз в качестве раствора сравнения эталонный раствор с постепенно увеличивающейся концентрацией определяемого вещества, с тем чтобы подобрать такой раствор сравнения, концентрация которого была бы наиболее близкой к концентрации анализируемого раствора.
Способом градуировочного графика можно пользоваться и тогда, когда наблюдаются отклонения от основного закона светопоглощения.
Дифференциальная спектрофотометрия в разных вариантах применяется при определении ряда металлов и неметаллов, органических соединений, лекарственных веществ. Так, разработаны варианты анализа методом дифференциальной спектрофотометрии многих двухкомпонентных смесей лекарственных веществ: кофеин и аспирин, кофеин и амидопирин, кофеин и фенацетин, теобромин и барбамил, теофиллин и барбамил, папаверина гидрохлорид и дибазол, папаверина гидрохлорид и кислота никотиновая — и т. д.
Аналогичные методы применяются и в дифференциальной фотоэлектроколориметрии. [1 – 3]
1.2.2 Понятие о производной спектрофотометрии
Производную спектрофотометрию относят к одному из вариантов дифференциальной спектрофотометрии. Если в описанном выше варианте дифференциальной спектрофотометрии используют разность оптических плотностей при одной и той же длине волны l = const (Ах = e l(cx – c0)), то в производной спектрофотометрии также измеряют разность светопоглощения, но при двух длинах волн l1 и l2, разделенных небольшим интервалом Dl = l2 - l1.
Предел отношения разности оптических плотностей DА = А2 – А1 соответственно при двух длинах волн l2 и l1 к Dl равен математической первой производной
и представляет собой некоторую функцию f(l) от длины волны.
В производной спектрофотометрии определяют математические производные от оптической плотности по длине волны
и т. д.