Методы и приборы для анализа состава и измерения параметров веществ общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ

3. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД

Свойство вещества излучать свет под воздействием различных видов энергии (люминесценция) известно очень давно, однако детальное изучение его начато сравнительно недавно. Теория люминесцентного излучения была дана на основе квантовой теории света в 30-х годах XX в.; практически использовать метод начали примерно в 50-х годах.

Люминесценцию классифицируют по виду возбуждения, механизму преобразования энергии, временным характеристикам свечения.
По виду возбуждения различают возбуждение световым потоком — фотолюминесценция, проникающей радиацией — радиолюминесценция, катодным пучком — катодолюминесценция, химической обработкой — хемилюминесценция. По временным характеристикам различают флуоресценцию, когда свечение прекращается сразу после удаления источника возбуждения свечения, и фосфоресценцию, когда свечение продолжается более или менее длительное время после удаления источника возбуждения.
Из перечисленных видов люминесценции для анализа состава веществ используют главным образом флуоресценцию, вызываемую лучистой энергией.
Поглощение излучения веществом есть следствие взаимодействия молекул вещества с электромагнитной энергией излучения.
Для установления количественной взаимосвязи между интенсивностью люминесцентного излучения Ф_ф и концентрацией лю-минесцирующего вещества необходимо учитывать, что процесс люминесцентного излучения является вторичным и обусловлен предшествующим ему процессом — поглощением светового потока. В связи с этим взаимосвязь между интенсивностью люминесцентного излучения и концентрацией люминесцирующего вещества устанавливают с учетом закона поглощения Бугера — Ламберта — Бера.
В энергию излучения преобразуется не вся поглощенная веществом энергия.; часть ее может перейти в тепловую или другие виды энергии без испускания света.
Различают интенсивность флуоресценции энергетическую и квантовую , где Е_Л и Е_П — энергия излучаемая и поглощенная; N_Л и N_П — число квантов соответственно флуоресценции и поглощенной энергии. Так как энергия кванта Е = h v (где h — постоянная Планка, ν — частота волн света), то соотношения между энергетическим и квантовым выходом имеют вид

Интенсивность флуоресценции для одного и того же вещества зависит от температуры, природы растворителя, концентрации раствора, примесей и др.
Процессы, обусловливающие уменьшение интенсивности флуоресценции, называются тушением; они разнообразны по природе и кинетике. Интенсивность флуоресценции может меняться от 0 до 1.
Известно, что интенсивность флуоресценции раствора Ф_ф пропорциональна поглощенной раствором световой энергии Ф_П и квантовому выходу В_кв:
(8)
Используя выражение (4), найдем поглощенную раствором световую энергию
(9)
Тогда равенство (8) можно записать в виде

Разложив выражение в ряд и пренебрегая всеми членами ряда, кроме первых двух, при получим
(10)
Для данных условий опыта и при небольших концентрациях можно считать величины Ф₀, ε, l и В_кв постоянными; в этом случае интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации флуоресцирующего вещества, т. е. Ф_ф = k C, где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от характеристик вещества и геометрических размеров кюветы. Как правило, зависимость линейна до тех пор, пока концентрация флуоресцирующего вещества не становится настолько большой, что раствор начинает поглощать значительную часть световой энергии.
Поскольку величины ε и В_кв различны для разных веществ, то флуориметры, как правило, градуируют по стандартным образцам, а измерения ведут в относительных единицах интенсивности люминесценции.
Люминесцентный анализ охватывает методы и аппаратуру, основанные на различных видах и свойствах люминесценции. Высокая чувствительность, избирательность и простота реализации способствовали интенсивному внедрению люминесцентного анализа в химию, биологию, медицину, сельское хозяйство и др., что привело к созданию обширной номенклатуры приборов.
Основными узлами фотофлуоресцентного анализатора (флуориметра) являются: источник излучения, монохроматизирующая система, кювета с анализируемым веществом, приемник флуоресценции с монохроматизирующей системой и вторичный измерительный прибор.
При разработке флуориметров главная трудность заключается в том, что для повышения точности и чувствительности измерения необходимо минимизировать потери флуоресценции и одновременно исключить падение на фотоприемник света источника возбуждения.
В зависимости от оптической плотности анализируемой пробы применяют три схемы возбуждения и измерения флуоресценции.
Свет от источника излучения 1 (рис. 10) после первичного светофильтра 2, выделяющего монохроматическое излучение для возбуждения флуоресценции, попадает на кювету 3 с раствором. Возникающая в растворе флуоресценция через вторичный светофильтр 4 поступает на фотоприемник 5. Фильтр 4 служит для выделения флуоресценции. Интенсивность флуоресценции измеряется вторичным прибором 6.
Рассмотренная принципиальная схема прибора для измерения флуоресценции растворов в проходящем световом потоке обладает тем недостатком, что при увеличении длины кюветы результаты измерения искажаются из-за вторичного поглощения. Флуоресценция, возникающая в передней части кюветы, ослабляется молекулами флуоресцирующего вещества вследствие взаимного наложения спектров флуоресценции и поглощения. Кроме того, возникают ошибки из-за люминесценции материала кюветы.
На рис. 11 приведена оптическая схема, наиболее часто используемая в флуориметрах. В этой схеме возбуждающее излучение перпендикулярно направлению измерения интенсивности излучаемой флуоресценции. Такую схему применяют при проведении анализов прозрачных жидкостей и газов, прозрачных кристаллов, а также, в общем случае, когда возбуждающий свет очень слабо поглощается анализируемым раствором, и интенсивность флуоресценции раствора на всем пути прохождения возбуждающих лучей практически остается постоянной. При люминесцентном анализе в подавляющем большинстве случаев это условие соблюдается.
Рис. 10. Оптическая схема прибора для измерения флуоресценции растворов в проходящем свете

Рис. 11. Оптическая схема прибора для измерения флуоресценции растворов (позиции — см. текст к рис. 10)
Реже, преимущественно для твердых объектов, применяют схему, при которой возбуждение осуществляется под углом 45° к поверхности образца, а интенсивность флуоресценции измеряют в направлении, перпендикулярном этой же поверхности (рис. 12). Такая схема особенно удобна, когда анализируемый объект сильно поглощает лучи возбуждающего светового потока.
На рис. 13 приведена оптическая схема измерения флуоресценции растворов непосредственно с поверхности возбуждения.
От источника возбуждения 1 световой поток проходит через первичный фильтр 2, затем прозрачное зеркало 7 и падает на кювету 3 с анализируемым раствором. Лучи флуоресценции раствора выходят из кюветы через эту же стенку и, отразившись от обратной стороны зеркала 7, направляются на вторичный фильтр 4 и фотоприемник 5. Интенсивность флуоресценции измеряется вторичным прибором 6.
Схему применяют при анализе оптически плотных жидкостей, порошков, паст и других материалов, значительно поглощающих возбуждающее излучение. В этом случае флуоресцирует не весь слой вещества, а только его часть, примыкающая к передней стенке кюветы, поэтому способы измерения, рассмотренные выше, мало эффективны.
Рис. 12. Оптическая схема для измерения флуоресценции плотных жидкостей, листовых материалов, порошков, паст и др. (позиции — см. текст к рис. 10)
Рис. 13. Оптическая схема для измерения флуоресценции с поверхности возбуждения
Данный способ по сравнению с предыдущими имеет следующие преимущества: свободен от погрешностей, связанных с вторичным поглощением; флуоресценция, региструемая только с поверхности кюветы, позволяет использовать кюветы минимальной толщины, а значит и объема.
При анализе растворов, значительно поглощающих возбуждающее излучение, и при малых количествах исследуемых проб следует применять схему, представленную на рис. 13.
Приборы для количественного флуоресцентного анализа (флуориметры) по построению схемы измерения подразделяют на флуориметры непосредственного отсчета, дифференциальные и компенсационные (нулевые).
Выбор структуры измерительной схемы зависит от требований, предъявляемых к прибору.