Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Посмотреть оригинал

Люминесцентный метод анализа

Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Первая часть определения отделяет люминесценцию от теплового равновесного излучения и показывает, что понятие «люминесценция» применимо только к совокупности атомов и молекул, находящихся в состоянии, близком к равновесному. Вторая часть определения была введена С. И. Вавиловым (советский физик, президент Академии наук СССР, 1891 — 1951), чтобы отделить люминесценцию от различных видов рассеяния и отражения света, параметрического преобразования света, тормозного излучения и излучения Черенкова — Вавилова (П. А. Черенков — советский физик, 1904—1990).

Люминесценция ослабевает при повышении температуры и характеризуется испусканием квантов, отличающихся по энергии от ранее поглощенных.

По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией), к ней, в частности, относят рентгено-, катодо-, ионо- и а-люминесценцию, электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем), триболюми- несценцию (возбуждение при механических воздействиях), хемилюминесценцию, которая возникает при химических реакциях, и др.

Причиной всех люминесцентных явлений является перевод частиц люминесцирующего вещества в возбужденное состояние. Этот перевод осуществляется за счет энергии, доставляемой источником, вызывающим появление люминесценции. Переход возбужденного центра люминесценции в нормальное или менее возбужденное сопровождается испусканием света. Это и есть люминесцентное свечение вещества.

Обычно в возбужденном состоянии частицы вещества находятся в течение 10-8 с. Такая длительность возбужденного состояния характерна для люминесценции, называемой флуоресценцией. Она наблюдается при облучении светом некоторых жидкостей и газов.

Иногда возбужденное состояние центров люминесценции сохраняется достаточно долго: от 10~4 с до нескольких минут. Такое люминесцентное свечение называется фосфоресценцией.

Фотолюминесценция, как правило, возбуждается ультрафиолетовым или близкими к нему участками спектров электромагнитных волн. Дж. Стокс (J. G. Stokes — английский физик и математик, 1819—1903) установил, что вещество испускает, как правило, свет, имеющий большую длину волны, чем свет, который вызывает явление фотолюминесценции.

При количественном и качественном люминесцентном анализе чаще всего регистрируют самостоятельное свечение вещества.

Качественный химический люминесцентный анализ позволяет обнаруживать и идентифицировать некоторые вещества в смесях.

В сортовом анализе по характеру свечения вещества различают предметы, кажущиеся одинаковыми. Его применяют при диагностике заболеваний, определении пораженное™ семян и растений болезнями, для измерения содержания органических веществ в почве и т.п. Из всех видов люминесценции для анализа чаще используют фотолюминесценцию.

При малых концентрациях С наблюдается прямолинейная зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации

где /(| — интенсивность флуоресценции; k — коэффициент пропорциональности.

Для измерения флуоресценции используют спектрофлуориметры и флуориметры, для измерения фосфоресценции — фосфориметры.

При измерении люминесценции источник возбуждения, кювету с исследуемым раствором и детектор располагают в зависимости от способа измерения излучения: под прямым углом к падающему свету (рис. 6.16, а), под небольшим углом к падающему свету (фронтальное освещение, рис. 6.16, б), без изменения направления (рис. 6.16, в).

Способы наблюдения люминесценции

Рис. 6.16. Способы наблюдения люминесценции:

а — способ перпендикулярных пучков; б — фронтальный способ; в — без изменения направления; 1 — источник; 2 — первичный светофильтр; 3 — кювета с пробой;

4 — вторичный светофильтр; 5 — фотоприемник

Обычно в конструкциях флуориметров используют первый способ. В этом случае на фотоприемник попадает меньшая доля постороннего излучения от источника возбуждения. Во флуориметре свет попадает на первичный светофильтр, пропускающий излучение с длинами волн возбуждения, и далее на кювету с исследуемым раствором. Испускаемое люминесцентное излучение попадает на вторичный светофильтр, пропускающий люминесцентное излучение и задерживающий возбуждающее и рассеянное излучения.

Люминесценция — один из самых чувствительных методов анализа - применяется для определения следовых количеств элементов. В отличие от спектрофотометрии, где измеряют разность двух сигналов (/0 и /[), в люминесценции измеряют сам сигнал и предел обнаружения зависит от интенсивности источника и чувствительности детектора. Метод люминесценции позволяет определять 10-10—10-4 мкг-мл-1 вещества.

Схема флуоресцентного газоанализатора, реализующая способ перпендикулярных пучков (рис. 6.16, а), показана на рис. 6.17.

Структурная схема флуоресцентного газоанализатора

Рис. 6.17. Структурная схема флуоресцентного газоанализатора:

  • 1 — источник света; 2 — первичная оптическая схема; 3 — интерференционный световой фильтр; 4 флуоресцентная камера; 5 — светофильтр; 6 — фотоприемник;
  • 7 — усилитель электрического сигнала; 8 — вторичный прибор

Излучение от источника 1 с помощью оптической системы 2 фокусируется в флуоресцентной камере 4. Интерференционный фильтр 3 служит для выделения спектральной области возбуждения флуоресценции. Через камеру 4 прокачивают анализируемый воздух.

Хемилюминесценция — люминесценция, сопровождающая химические реакции. Излучение испускается продуктами реакции или другими компонентами, возбуждаемыми в результате переноса энергии к ним от продуктов реакции. Частный случай хемилюминесценции — биолюминесценция (свечение гниющего дерева, некоторых насекомых и морских животных). Эффективность биолюминесценции некоторых светляков приближается к 100%. Для возбуждения хемилюминесценции в видимой области спектра требуется более 160 кДж/моль энергии. Яркость хемилюминесценции пропорциональна скорости реакции и эффективности хемилюминесценции (числу квантов хемилюминесценции на один акт реакции).

Низкая интенсивность собственно хемилюминесценции оказалась главным препятствием на пути к ее широкому использованию в аналитических целях. Значительное распространение получило измерение хемилюминесценции в присутствии определенных соединений, которые в отечественной литературе называют активаторами, а за рубежом — усилителями хемилюминесценции. По механизму действия активаторы разделяют на две группы — физические и химические.

В хемилюминесцентном методе анализе нет необходимости в применении источников возбуждения, поэтому аппаратура метода более простая по сравнению с той, которую используют в люминесцентном анализе.

Преимуществом хемилюминесцентного метода анализа являются низкие пределы обнаружения 10-10— 10-4 г/мл при объеме кюветы 2—5 мл, достаточная точность определения, экспрессность, простота аппаратуры. Недостатком является малая селективность реакций, однако варьирование условий определения и применение маскирующих агентов часто позволяют устранить этот недостаток.

С помощью хемилюминесценции определяют содержание перекиси водорода, спиртов, производных анилина, некоторых отравляющих веществ, глюкозу, некоторые металлы, а также окислы азота и серы в воздухе.

Фосфоресценция — люминесценция, продолжающаяся значительное время после прекращения возбуждения (в отличие от флуоресценции).

Фосфоресценция может продолжаться от нескольких микросекунд до нескольких часов и даже суток.

Яркость фосфоресценции органических молекул обычно уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Закон затухания яркости люминесценции кристаллофосфоров сложен, в некоторых случаях он приближенно описывается формулой Беккереля

где В0 начальная яркость; t — время; а и а — постоянные.

Задачи

6.3.1. При фотометрировании пламени для Na получили следующие данные:

lgC-4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5

gl -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,3 -1,0 -0,7 -0,4 -0,2.

В какой области интенсивность спектральных линий / пропорциональна концентрации С и в какой пропорциональна >/с?

Ответ: до С- 0,001 и после С = 0,01.

6.3.2. При фотометрировании пламени при определении натрия в растворе получили следующие данные:

С, мкг/мл х 10 20

данные вторичного прибора 35,5 20,5 39,5

Рассчитайте концентрацию х исследуемого раствора.

Решение

6.3.3. Рассчитайте концентрацию элемента в растворе при спектральном анализе по следующим данным:

IgC x x + 0,05 * + 0,10

^ 1,00 1,62 2,22.

*X

Решение л лг.

гг . * + 0,05

Поскольку концентрация достаточно мала, то / = кС. В этом случае - =

х

* + 0,10

= 1,62, откуда * = 0,081. Или-= 2,22, откуда * = 0,082.

х

6.3.4. При определении калия фотометрированием пламени методом добавок были получены следующие данные:

С, мкг/мл * *+10 * + 20

данные вторичного прибора 17,0 26,0 35,0

Определите концентрацию калия в исследуемом растворе.

Ответ: 17,2 мкг/мл.

  • 6.3.5. Рассчитайте процентное содержание марганца в стали по следующим данным сравнения линии марганца (X = 293,911 нм) и железа (294,440 нм):
  • 5Мп* 0,59 0,74 1,43 *
  • 5Мп 0,896 1,020 1,349 1,105

SFe 0,764 0,748 0,763 0,760

Ответ: данную задачу лучше решить графически построением графика Д5Мп = — *?Мп ^Fe =/08О> х = 0,88.

6.3.6. При люминесцентном определении концентрации А13+ в дистиллированной воде взято 5 мл этой воды, добавлены сульфосалицилаль-о-амидофенол и вода до объема 10 мл. В аналогичных условиях приготовили растворы известной концентрации алюминия. При измерении интенсивности люминесценции растворов получены следующие результаты:

С, мкг А1/10 мл 0,04 0,05 0,08 *

интенсивность люминесценции 11 17 23 19

Определите концентрацию алюминия в воде.

При концентрации до 2 мкг/100 мл в плаве интенсивность света холостого опыта составляет 0,0001—0,02 мкг на 1 г фторида натрия, поэтому в данной задаче ее можно не учитывать.

Ответ: 3,8 мкг/мл.

6.3.7. Вычислите содержание алюминия в соляной кислоте (плотность 1,18) по данным его определения с салицилаль-о-аминофенолом.

На 5 мл анализируемой кислоты (после выпаривания в кислотном буфере) приготовили три раствора:

  • а) без добавления А13+;
  • б) с добавлением 0,03 мкг А13+;
  • в) с добавлением 0,05 мкг А13+.

К этим растворам, а также к холостому раствору добавили одинаковое количество салицилаль-о-аминофенола. При измерении люминесценции получили следующие результаты:

количество А13+, мкг 0 * * + 0,03 * + 0,05

интенсивность люминесценции 2 10 16 20

Ответ: 2,0-10-6%.

6.3.8. При определении в сплаве никеля фотометрическим методом взяли навеску весом 0,1248 г, после соответствующей обработки ее растворили в мерной колбе емкостью 100 мл, затем 10 мл полученного раствора растворили в мерной колбе вместимостью 200 мл. Оптическая плотность соответствовала по калибровочной кривой 0,00003 г никеля. Рассчитайте процентное содержание никеля в анализируемом сплаве.

Ответ: 0,26%.

6.3.9. В процессе выделения робенитина (ЗДД'Д'Д'-пентаоксифлавона) из растений получили пять этанольных растворов неизвестной концентрации. Оптические плотности растворов на шести длинах волн в кювете с длиной 1,00 см приведены в таблице.

Номер рас- твора

X, нм

242

252

282

316

328

368

1

0,407

0,439

0,136

0,366

0,305

0,725

2

0,175

0,166

0,087

0,126

0,106

0,250

3

0,519

0,636

0,197

0,533

0,442

1,055

4

0,191

0,206

0,064

0,173

0,144

0,344

5

0,272

0,293

0,091

0,246

0,201

0,485

Содержат ли растения одно и то же вещество?

Ответ: все растворы, кроме второго, содержат одно вещество.

6.3.10. Коэффициент пропускания растворов брома в тетрахлориде углерода при X = 436 нм в кювете длиной 2,00 см составил:

С, мг/мл 0,032 0,101 0,190 0,320 0,532 0,829

Т,% 84,0 57,0 34,5 16,5 5,0 1,0

Определите: а) подчиняются ли растворы основному закону светоноглощения;

б) величину пропускания раствора брома с концентрацией 1,50*10-3 М, помещенного в кювету с 1 = 1,00 см; в) значение ? при X = 436 нм, молекулярная масса брома (Вг2) 159,81.

Ответ: а) да; б) Г=51,2 %; в) ?= 1,93-102.

6.3.11. В таблице указаны результаты измерения квантового выхода флуоресценции органолюминофора с увеличением его концентрации в водном растворе.

с-10-4, м

1,00

3,00

5,00

7,00

9,00

11,00

13,00

15,00

ф

0,901

0,899

0,900

0,571

0,353

0,232

0,141

0,090

Как можно объяснить полученные результаты?

Решение

Уменьшение квантового выхода с ростом концентрации органолюминофора свидетельствует о развитии концентрационного тушения. Преобразуем его к виду lg lgq)o/(p = 0lgе(С - С0). При С < 0,05- 1(Н М (р = (р0 = 0,900. Дополним экспериментальные данные значениями lg(p0/(p и построим график зависимости lg((po/0 = 0,05* 10-4 М. По величине тангенса угла рассчитаем константу концентрационного тушения 0= 1,0- 103/lg3 М-1.

С-10-4, М

1,00

3,00

5,00

7,00

9,00

11,00

13,00

15,00

1бФо/<Р

0,000

0,000

0,000

0,198

0,406

0,589

0,805

1,000

6.3.12. В таблице приведены данные, характеризующие зависимость интенсивности флуоресценции раствора соединения люминола с аммиачным комплексом меди и пероксидом водорода от концентрации ингибитора — флороглюцина: а) постройте график зависимости lg/ от lgC и на основании его рассмотрения получите аналитическое выражение этой зависимости в виде функции lg 1= /(lgC); б) рассчитайте чувствительность флуориметрического метода определения флороглюцина.

С, м

I, уел. ед.

С, м

/, уел. ед.

0

180

1,41 Ю-4

38,5

1,30-10-5

143

4,46 10-^

20,2

2,30-10-5

90,4

7,08-10-4

14,3

7,10-10-5

53,3

Ответ: a) lg/ = -0,551gC - 0,55; б) 5 = -0,55 M_1.

6.3.13. Зависимость интенсивности флуоресценции раствора триазинилстиль- бексона от концентрации Cr (III) характеризуется следующими данными:

ССг107,М 0 0,4 1,2 2,3 4,4 ‘ 8,3 12 16

/, усл.ед. 100 95 87 79 68 56 49 44

Постройте график зависимости I/P от ССг и получите аналитическое выражение этой зависимости. Оцените чувствительность определения хрома (мл/мкг) по тушению флуоресценции триазинилстильбексона.

Ответ: S = 5,03Ю~3 мл/мкг.

6.3.14. Для различных значений оптической плотности люминссцирующсго раствора (s1C от 0,001 до 2,000) рассчитайте величину относительной погрешности, обусловленной использованием вместо точной формулы упрощенной и представьте результаты расчета в виде таблицы. По данным таблицы постройте график зависимости относительной погрешности от оптической плотности люминесцирующего раствора. При каком значении оптической плотности относительная погрешность: а) не превышает 1%; б) не превышает 5%?

Ответ: a) dC < 0,009; б) г/С < 0,043.

6.3.15. Интенсивность флуоресценции растворов, содержащих комплекс алюминия с салицаль-о-аминофенолом, с учетом концентрационного тушения, описывается эмпирической формулой

где / — интенсивность флуоресценции, уел. ед.; С — концентрация алюминия, мкг/мл. Влияние концентрационного тушения в приведенной формуле учитывается сомножителем е~0ЛЗС.

Выполните следующее: а) пользуясь эмпирической формулой, постройте график зависимости / от С и определите область его линейности (где отличие сигнала от расчетной величины нс превышает 5%); б) оцените чувствительность определения алюминия с салицаль-о-аминофснолом (мл/мкг); в) принимая, что в приведенной выше формуле член е~°лзс = 1, постройте график зависимости I от С, пренебрегая концентрационным тушением; г) сравнивая оба графика, определите диапазон концентраций, в котором концентрационным тушением можно пренебречь (где различие сигналов, рассчитанных с учетом и без учета тушения, не превышает 5%).

Ответ: а) 0,1 мкг/мл; б) S=65,6 мл/мкг, Sc—>q=68,0 мл/мкг; г) С < 0,38 мкг/мл.

6.3.16. В таблице приведены результаты изменения квантового выхода родамина Б с изменением его концентрации в метаноле.

С-Ю-з, М

Ф

С-Ю-з, М

Ф

1,00

0,971

9,00

0,498

1,50

0,966

10,0

0,453

2,00

0,970

11,0

0,400

2,50

0,974

12,0

0,352

С-10-3, М

Ф

С-Ю-з, М

Ф

3,00

0,969

14,0

0,279

5,00

0,807

16,0

0,219

6,00

0,728

18,0

0,178

7,00

0,641

20,0

0,140

8,00

0,558

-

-

Какие характеристики можно получить из этих данных?

Ответ: С0 = 3,4-10-3 М, 0 = 1,17-102 л/моль.

6.3.17. В таблице приведены результаты измерения интенсивности флуоресценции родамина Б в присутствии комплекса цинка Zn(SCN)42-.

Срод = 1,6010-5 М, CKSCN = 0,17 М, pH = 4,50

С/п, мкг/мл

I, уел. ед.

С-/п, мкг/мл

/, уел. ед.

0

100

1,0

32,0

0,1

82,5

1,2

28,0

0,2

71,0

1,4

25,0

0,4

54,0

1,6

22,5

0,6

44,5

1,8

20,5

0,8

37,0

2,0

19,0

Как можно интерпретировать полученные результаты? Можно ли их использовать для аналитических целей?

Ответ: можно рассчитать константу тушения К = 2,15-103 мл/мкг; можно использовать для определения концентрации цинка.

6.3.18. В таблице приведены результаты измерений фосфоресценции растворов, содержащих вещество А: раствора анализируемой пробы и двух стандартных растворов.

t, мс

I, уел. ед.

С=1 мкг/мл

С2= 10 мкг/мл

Сл

25

72,7

109,0

81,8

50

44,1

66,1

49,6

75

26,7

40,1

30,1

100

16,2

24,3

18,2

125

9,8

14,7

11,1

Пользуясь результатами измерений, рассчитайте: а) максимальную интенсивность фосфоресценции растворов /; б) постоянную времени затухания фосфоресценции т, считая, что интенсивность фосфоресценции вещества А убывает во времени по экспоненциальному закону; в) концентрацию вещества А в анализируемом образце.

Ответ: а) 1тах = 120,0, 179,9 и 134,9; б) т = 50 мс; в) СА = 7,8 мкг/мл.

6.3.19. Для флуоримстрического определения органического соединения родамина 6Ж в анализируемом растворе объемом 25 мл с неизвестной концентрацией приготовили пять эталонных растворов:

С, мкг/мл 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20

/ 16 32 48 64 80.

В тех же условиях измерили интенсивность анализируемого раствора, которая оказалась равна 1 = 40.

По полученным данным постройте градуировочный график, определите содержание родамина 6Ж (мкг/мл) и его массу в мкг.

Ответ: 0,10 мкг/мл, 2,5 мкг.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Что такое люминесценция?
  • 2. Люминесцентный анализ является качественным или количественным методом?
  • 3. Что такое квантовый выход в люминесценции?
  • 4. Назовите основные виды возбуждения люминесценции.
  • 5. Какая функциональная зависимость лежит в основе люминесцентного анализа?
  • 6. Объясните, почему градуировочный график при флуоресцентном анализе линеен только в ограниченной области концентраций?
  • 7. Почему люминесцентный метод анализа является более чувствительным, чем спектрофотометрический в УФ- и в видимой области?
  • 8. Как добиться повышения чувствительности флуориметрического анализа?
  • 9. Что понимают под термином «тушение люминесценции»? Какие виды тушения существуют?
  • 10. Что такое фосфоресценция?
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы