Фізико-хімічні методи аналізу. Рефрактометрія. Спектральний аналіз

Методика визначення спектрофотометрії.

Включення приладу у сітку проводиться згідно інструкцію.

Після включення освітлювача (Л) лампи накалювання чи водневої лампи, які встановлюються переключателем, який знаходиться на задній частині кожуха, і підсилювача в електричну сітку слід:

1)                       встановити в кюветодержачі кювети з контрольним і досліджуваним розчином, помістити кюветодержач в кюветний відділ  таким чином, щоб на шляху потоку випромінювання знаходився контрольний розчин (кюветодержач повинен бути повернутий білою точкою до працюючого), закріпити його пружинячи зажимом, закрити кришку кюветного відділу.

2)                       Поворотом рукоятки шкали довжини хвиль  встановити на шкалі значення необхідної довжини хвилі;

3)                       Рукояткою  установити в робоче положення фотоелемент;

4)                       Поставити переключатель  в положення „викл.” І закрити фотоелемент, поставити шторку  в положення „закр.”;

5)                       Рукоятку держача світофільтрів установити на вказівник відповідного світофільтра;

6)                       Поставити рукоятку  в одне із положень – 1, 2, 3 чи 4. Потрібно мати на увазі, що якщо потрібно вимірювати з великою чутливістю і можна знехтувати зниженням монохроматичності і працювати з широкою цілиною, то необхідно поставити рукоятку  в положення 1; якщо, навпаки, необхідно працювати з вузькою щілиною, то проводяться вимірювання при положенні 4.

7)                       Скомпенсувати темновий потік рукояткою грубо  і плавно  регулювання, підводячи стрілку міліамперметра  до нуля;

8)                       Відкрити фотоелемент, поставити рукоятку  в положення „відкр.”;

9)                       Змінюючи ширину щілини обертання рукоятки , установити стрілку міліамперметра на нульове значення, більш плавно це може бути зроблено поворотом рукоятки потенціометра чутливості ;

10)                  Установити на шляху випромінювання досліджуваний зразок, переміщаючи каретку з кюветодержачем рукояткою ;

Поставити переключатель  в положення І поворотом рукоятки  відлікового потенціометра, відновити нульове положення стрілки міліамперметра. По шкалі  цього потенціометра зняти відлік оптичної густини (верхня шкала) або проценту пропускання (нижня шкала). Відлік потрібно зробити 3-4 рази; за значення береться середній результат.       

Лазерний атомно- фотоіонізаційний спектральний аналіз

      На сьогодні актуальною для фармації є розробка нових аналітичних методів визначення ультранизьких вмістів елементів в різних речовинах . Це зумовлено тим, що сьогодні для вирішення великої кількості задач фармації, технології високочистих матеріалів, геології та геохімії, токсикології, екології та ін. потрібний контроль вмісту деяких елементів в речовині на рівні 10-8 – 10-11%. В деяких випадках таку чутливість аналіза можуть забезпечити традиційні аналітичні методи або їх модифікації: атомно- абсорбційна і атомно- флуорисцентна спектрометрія, нейтронно- активаційний аналіз, іскрова масс- спектроскопія та інші. Проте в більшості випадків чутливість обмежена рівнем 10-7  %.

Очевидний інтерес для аналітичного застосування являють собою лазерні методи детектування одиничних атомів. Вони засновані на методі лазерного збудження флуорисценції атомів і методі лазерної ступінчатої резонансної фотоіонізації атомів. Проте для прямого використання цих методів в аналітичних задачах необхідно вирішити ряд супутніх проблем. Оскільки задача визначення ультранизьких слідів елементів в аналізованій речовині складається з трьох послідовних етапів:

1.     Отримання вільних атомів елемента;

2.     Транспортування цих атомів в область лазерного променя;

3.     Детектування атомів з допомогою лазерного випромінювання;

       СХЕМИ СТУПІНЧАТОЇ ФОТОІОНІЗАЦІЇ.

    В методі лазерної багатоступінчатої фотоіонізації атоми збуджуються лазерним випромінюванням в проміжний високолежачий стан в одну або декілька ступенів, а потім здійснюється фотоіонізація тільки збуджених атомів. За шляхом іонізації атома з проміжного стану в методі ступінчатої фотоіонізації можна виділити умовно три підхода:

1.     Нерезонансна  фотоіонізація збудженого атома в контініум.

2.     Іонізація атома з рідберговського стану електричним полем в результаті зіткнення з частинками буферного газу та інше.

3.     Резонансна фотоіонізація збудженого атома шляхом збудження в вузький автоіонізаційний стан.

1.     Іонізація на переходах в континіум. 

При такому способі збуджений атом іонізується допоміжним лазерним випромінюванням або випромінюванням, що використовується  на одному з ступенів резонансного збудження. Для ефективного збудження і подальшої  фотоіонізації збуджених атомів густини енергії імпульсів повинні задовольнятися наступні вимоги, що є частими випадками загальних умов:

Фзбуд≳ Ф нас збуд=Ћɷзбуд /2збуд,  Фіон≳ Ф нас збуд=Ћɷіон /2іон,

Для іонізуючого імпульса густини енергії насичення Ф нас збуд лежить в межах 0,01-1 Дж/см2  (для збуджуючих імпульсів відповідні значення Ф нас збуд в 2збуд /іон, разів менше). Такі параметри лазерного випромінювання досягаються існуючими лазерами, коли потрібна частота повторення імпульсів не перевищує декількох десятків герц.

2.     Іонізація через рідберговський стан.

В цьму методі, атом з проміжного стану збудження  підходить під границю іонізації в рідберговський стан і потім іонізується імпульсом електричного поля. Дослідження продемонстрували, що рідберговські атоми мають унікальну властивість порівняно легко іонізуватись в електричному полі незалежно від виду атома. Причому кожний рідберговський стан характеризується своїм значенням критичного електричного поля, поблизу якого іонізація має пороговий характер.  При напруженості електричного поля, критичної для даного рідберговського стану, збуджені в такий стан атоми іонізуються з виходом іонів, близьким до одиниці. При цьому зріз іонізіції атома з проміжного стану визначається зрізом його резонансного збудження в рідбергівський стан. Цей зріз на декілька порядків перевищує зріз нерезонансної іонізації в континіум. Збудження атома в рідбергівський стан можна здійснювати в дві або три ступені випромінюванням імпульсних лазерів на барвниках, що синхронізовані один з одним. Обрання схеми збудження залежить від конкретного атома.

3.Іонізація через автоіонізаційний стан.

Ще однією можливістю підвищення зрізу  фотоіонізації атома є збудження на останній стадії в автоіонізаційний стан. Автоіонізаційний стан (АС)- це стани дискретного спектра, зумовлені збудженням внутрішніх електронів атома і що лежать вище границі іонізації атома, тобто в континіумі. Для багатоелектронних атомів такі стани можуть бути достатньо вузькими, і зріз такого автоіонізаційного перехода може на декілька порядків перевищувати зріз нерезонансної фотоіонізації. З іншого боку, навіть при досить малій ширині автоіонізаційного стану, близько ≈0,01 см-1 , час його життя по відношенню до розпаду в контініум складає наносекунди. Відповідно, при збудженні такого стану лазерним імпульсом з типової тривалості 10-8 секунд буде проходити його ефективне спустошення на протязі лазерного імпульсу. Це забезпечує досягнення граничного абсолютного виходу іонізації ηіон =1.

Аналіз біологічних об’єктів.

    Виявлення “слідових” кількостей металів в біологічних об’єктах є на сьогодні однією з актуальних  аналітичних задач, важливих як для фармації так і медицини.

Біологічні об’єкти являють собою предмет особливого інтересу для застосування  фотоіонізуючого метода, так як дозволяють виявити його важливу якість – нечутливість до інших елементів, крім того що аналізується. Це означає, що не треба ніякого попереднього розділення проб. Це було доведено експерементами  по фотоіонізаційному виявленню залишків Al в крові. Обрання алюмінію пов’язано не лише легкістю  його детектування, але й з тим, що він є одним з елементів, що цікавить токсикологію. До цього часу залишається не з’ясованою роль цого елемента в метаболізмі живих організмів.

Аналітича процедура прямого виявлення Al в крові полягала в наступному: кров в звичайному стані об’ємом 40 мкл вносили до тигелю, що являв собою танталовий стаканчик, та висушували на повітрі пи температурі 90-100ºС на протязі 3-5 хвилин. Процес озоленння і атомізації сухого залишка проводилось в вакуумній камері. При проведенні цих процесів важливо вибрати такий режим нагрівання тигля, щоб озолення не призводило до суттєвого погіршення вакуума до 10-4 Тор. Водночас цей процес повинен проходити достатньо швидко, щоб не призвести до термічного випарення залишку без атомізації. При досліді температура тигля при озоленні підвищувалась до 1500ºС в п’ять етапів на протязі 10 хвилин.            

Повний сигнал алюмінія для досліджуваної проби визначався сумарною “селективною” площею (різниця між повним та фоновим сигналом) під кривою сигнала . Відповідаючі такому сигналу значення концентрації алюмінія визначали по градуювальній характеристиці, побудованій для водяних розчинів AlCl3 . Правомірність такої калібровки була перевірена шляхом добавок. При цьму в тигель вводилося 40 мкл крові і 40 мкл розчину AlCl3 з вмістом Al 100 мкг/л . Отриманий від такої суміші сигнал алюмінія в межах похибки вимірів (близько 10%) виявився рівним сумі сигналів від компонентів при незалежному їх аналізі. Цим було доведено відвутність впливу матриці крові на вихід алюмінія при термічній атомізації в вакуумі. Результати вимірів вмісту алюмінія в пяти зразках крові лежать в межах 230+_50мкг/л.

ТАБЛИЦЯ 1

В таблиці 1 приведені результати прямого виявлення методом лазерної фотоіонізаційної спектроскопії в вакуумі ряду елементів в різних речовинах. В неоптимізованих експерементальних умовах досягнуті результати, що  є граничними для найбільш чутливих аналітичних методів.

Таблиця 2