Производная спектрометрия и её возможности в химическом анализе (стр. 4 из 6)

(чаще всего — не выше второй производной) и строят график спектральной кривой в координатах

, и т. д.

откладывая по оси абсцисс длину волны, а по оси ординат — первую или вторую производную (иногда — производные более высокого порядка).

В методе определяют также производные от оптической плотности не только по длине волны, но и по волновому числу v (или по частоте) и получают соответствующие спектральные кривые в координатах производная по волновому числу (ось ординат) — волновое число (ось абсцисс). Достоинство рассматриваемого метода состоит в том, что на спектральных кривых, записанных в координатах производная — длина волны (или производная — волновое число), отчетливо получаются полосы, проявляющиеся лишь в виде скрытых максимумов и нечетких перегибов на полосе поглощения при обычном представлении спектральной кривой в координатах оптическая плотность (или коэффициент погашения) – длина волны. Такие полосы на спектральных кривых производных можно использовать как в качественном анализе (идентификация веществ по спектру), так и при количественном определении веществ в растворах (c использованием в качестве аналитической полосы максимумов на производных спектральных кривых), в том числе компонентов смесей без их предварительного разделения.

Величина первой производной пропорциональна крутизне наклона; исходной спектральной кривой A = f(l), а точки пересечения кривой первой производной с осью длин волн отвечают максимумам или минимумам на исходной спектральной кривой. При этом форма производной кривой усложняется: максимуму на исходной спектральной кривой А = f(l) соответствуют положительный и отрицательный максимумы на кривой dA/dl = f(l).

На кривой второй производной максимуму в исходном спектре А = f(l) соответствует также максимум, но взятый с обратным знаком. К тому же вторая производная позволяет фиксировать две соседние полосы поглощения, разделенные меньшим интервалом длин волн. Поэтому на практике чаще предпочитают пользоваться спектральной кривой второй производной, чем первой.

Производные спектральные кривые получают либо численными методами дифференцирования, либо непосредственно на регистрирующем спектрофотометре, если на нем предусмотрена запись кривых производных (например, с использованием дифференцирующих приставок к саморегистрирующим спектрофотометрам).

Вид спектральных кривых существенно зависит от величины интервала Dl, используемого в расчетах кривой производной. В случае широких полос поглощения в исходных спектрах А = f(l) спектральную кривую производной рассчитывают для интервала Dl = 2; 4; 6 и 8 нм; оптимальный интервал составляет 4 нм.

На рис. 5 приведены спектральные кривые для раствора лекарственного препарата теофиллина в координатах Е — l (а) и d² А / dl² — l (б), где Е — удельный коэффициент погашения теофиллина в растворе. При этом кривая второй производной построена с интервалом Dl = 4 нм.

Двум отчетливым максимумам в спектре поглощения раствора теофиллина отвечают два столь же отчетливые минимумы (отрицательные максимумы) на кривой второй производной. Кроме того, на этой кривой проявляются и малоинтенсивные скрытые максимумы.

Рис. 5. Спектр поглощения (а) и спектральная кривая второй производной (б), построенная с интервалом Dl = 4 нм, раствора теофиллина

Рис. 6. Спектр поглощения (1) и спектральная кривая второй производной (2) раствора смеси амидопирина и дибазола

Метод позволяет идентифицировать скрытые максимумы в спектре раствора смесей. На рис. 6 в качестве примера представлены спектр поглощения раствора смеси лекарственных препаратов амидопирина с дибазолом и спектральная кривая второй производной для того же раствора. Полосы обоих компонентов, включая скрытые максимумы, четко проявляются на кривой второй производной и могут быть использованы для определения компонентов в их смеси.

На рис. 7 показана спектральная кривая четвертой производной для смеси амидопирина и дибазола. Скрытые максимумы и перегибы проявляются на ней еще более отчетливо, чем на спектральной кривой второй производной, что может быть использовано для идентификации дибазола в лекарственных формах.

Переход к производным кривым более высокого порядка повышает случайные ошибки фотометрических определений.

Разработаны многочисленные методики, использующие производную спектрофотометрию для идентификации и определения различных веществ, особенно — лекарственных препаратов. Так, по первым производным предложено анализировать смесь теобромина и салицилата натрия, бутамида в трехкомпонентной смеси. По вторым производным идентифицируют дибазол, кофеин, папаверина гидрохлорид, теобромин, теофиллин; определяют амидопирин, атропин, бензотропин, бутадион, дифенилгидантоин, кофеин, нифуроксим и фуразолидон при совместном присутствии, папаверина гидрохлорид, парацетамол, стрептомицин, теофиллин и др. По четвертой производной определяют дибазол.

Методами производной спектрофотометрии анализируют также соединения урана (VI) в присутствии солей железа; соединения редкоземельных элементов и т.д. [2]

1.3 Чувствительность фотометрического анализа

Чувствительность фотометрического анализа характеризуется минимальной концентрацией c_min определяемого вещества в анализируемом растворе, которую еще можно определить фотометрическим методом. Эту минимальную концентрацию можно оценить следующим образом.

В соответствии с основным законом светопоглощения имеем

А_min = e c_min l

где А_min = 0,01 — минимальное значение оптической плотности, которое можно измерить на обычном спектрофотометре. При толщине поглощающего слоя l = 1 см получаем:

c_min = 0,01/e

Эта формула позволяет оценить минимальную концентрацию определяемого вещества в анализируемом растворе по его молярному коэффициенту погашения. Максимально возможное значение молярного коэффициента погашения считают равным примерно e » 10⁵ л × моль^-1 × см^-1. Следовательно, минимальная концентрация, определяемая фотометрическим методом, может составлять

c_min = 0,01/10⁵ =10^-7 моль/л

при толщине поглощающего слоя l = 1 см.

Глава 2. Аппаратура, применяемая для спектрофотометрического анализа

2.1 Схемы применяемой аппаратуры

Регистрация аналитических сигналов в фотометрическом анализе осуществляется измерением светопоглощения раствора аналитической формы. Общий принцип измерения состоит в поочередном сравнении интенсивностей световых потоков, проходящих через раствор сравнения и фотометрируемый раствор. Поглощение анализируемого раствора измеряют относительно поглощения раствора сравнения (последнее принимают за оптический нуль). Измерение интенсивности световых потоков осуществляют фотоэлектрическим способом после преобразования излучения в электрический сигнал.

Приборы, применяемые для измерения поглощения растворов, можно классифицировать следующим образом.

1. По способу монохроматизации лучистого потока: приборы с призменным или решеточным монохроматором, обеспечивающими высокую степень монохроматизации рабочего излучения, называют спектрофотометрами; приборы, в которых монохроматизация достигается с помощью светофильтров, называют фотоэлектроколориметрами, или абсорциомерами.

2. По способу измерения: однолучевые с прямой схемой измерения (прямопоказывающие) и двухлучевые с компенсационной схемой.

3. По способу регистрации измерений: регистрирующие и нерегистрирующие.

Принципиальная схема фотометрического однолучевого прибора приведена на рис. 8.

Перед началом работы в приборе устанавливают требующийся светофильтр. После настройки прибора на электрический нуль в световой поток устанавливают кювету с раствором сравнения. При этом стрелка показывающего прибора должна находиться в пределах шкалы. С помощью вспомогательной диафрагмы или регулируя усиление фототока электронным усилителем, стрелку показывающего прибора устанавливают на отметку 100%-ного пропускания, соответствующего оптическому нулю в данной системе. Затем в световой пучок вместо кюветы с раствором сравнения устанавливают кювету с фотометрируемым раствором. Световой поток, прошедший через кювету с поглощающим веществом, уменьшается пропорционально его концентрации, соответственно стрелка показывающего прибора останавливается на отметке, отвечающей пропусканию исследуемого раствора.

Такие приборы наряду с равномерной шкалой пропускания имеют и логарифмическую шкалу оптических плотностей (поглощения). При необходимости показания прибора по шкале пропускания пересчитывают на поглощение.

Схема двухлучевого фотоэлектроколориметра приведена на рис. 9. Световой поток от источника света 1, пройдя светофильтр 2, попадает на линзу 3 и разделяется на два потока. При работе с прибором поступают следующим образом. После настройки электрического нуля прибора шкалу правого отсчетного барабана 6' устанавливают на нулевую отметку. Затем в левый световой поток устанавливают кювету с раствором сравнения 5, а в правый с фотометрируемым раствором 5'. За счет поглощения света фотометрируемым раствором интенсивность светового потока, падающего на правый фотоэлемент 7', будет меньше — фотометрическое равновесие будет нарушено. При вращении левого компенсационного барабана 6 ширина щели в нем уменьшится и стрелка нуль-индикатора 9 в момент компенсации встанет на нуль. Затем в правый световой поток вводят кювету с раствором сравнения 5.