Краткий обзор методов анализа элементов

28 Июля в 23:25 2632 0


Методов анализа разных объектов на содержание отдельных элементов несколько, по наиболее широко в настоящее время используют спектральные методы. Они основаны на использовании разных частей электромагнитного спектра (табл. 1, 2). Принципиальная схема всех спектрометров одинакова (Хаускрофт, Констебл, 2002) (рис. 1).

Таблица 1. Электромагнитный (ЭМ) спектр и аналитические методы его изучения

Частота (v) Гц

Волновое число (v) см-1/Длина волны (λ) м

Энергия (Е) кДж/моль

Тип излучения

Прибор

1021

1020

1019

1011/10-13

1010/10-12

109/10-11

109

108

107

γ-Излучение

Мессбауэровский (γ-резонансный) спектрометр

Фотоэлектронный спектрометр (ФЭС)

1018

1017

108/10-10

107/10-9

106

105

Рентгеновские лучи

Рентгено-флуоресцентный спектрометр (РФС)

1016

1015

106/10-8

105/10-7

104

103

Вакуумный ультрафиолет

Ультрафиолет (УФ)

100-200 нм — вакуумный УФ-спектрофотометр

1014

104/10-6

103/10-5

102

10

Видимый свет (400-750 нм)

200-900 нм — вид/УФ-спектрофотометр

1013

102/10-4

11й

Ближняя инфракрасная область (ИК)

ИК-спектрофотометр (ИКСФ)

Римановский комбинационного рассеяния, КР) спектрометр

1012

1011

10/10-3

10-1

Дальняя ИК область

Дальний ИК-спектрометр

1010

109

108

107

1/10-2

10-1/10-1

10-2/1

10-3/10

10-4/102

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

Микроволновая

Микроволновый спектрометр

106

105

104

103

10-5/103

10-6/104

10-7/105

10-7

10-8

10-9

Радиоволновая

Спектроскоп электронного парамагнитного (спинового) резонанса (ЭПР)

Спектроскоп ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

Примечание:

Все параметры ЭМ спектра связаны между собой:

1. Волновое число (ν-1) («обратный сантиметр») = 1/(Длина волны λ в м); 1/λ = ν/c, где λ - длина волны в м, ν - частота в Гц, с - скорость света (3×108 м/с).

2. Энергия 1 моля фотонов Е = Nahν, где Е - энергия в кДж/моль, Na - число Авогадро, ν - частота в Гц, h - постоянная Планка (= 6,26×10-34 Дж/моль).

3. Видимый свет: 400-750 нм - фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный.

Таблица 2. Некоторые спектроскопические методы исследования

Название метода

Примечания

Мессбауэровская (γ-резонансная) спектроскопия

Поглощение γ-излучения некоторыми ядрами (57Fe, 197Au) позволяет определить химическое окружение атомов, в том числе степень окисления

Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС)

Спектроскопия поглощения при изучении энергетических состояний заполненных атомных и молекулярных орбиталей

Электронная спектроскопия (вид/УФ-спектроскопия)

Спектроскопию поглощения (100-200 нм — вакуумный УФ, 200-800 нм — ближний УФ и видимую область спектра) используют для исследования переходов электронов между энергетическими уровнями в атомах и молекулах

Атомно-абсорбционная спектроскопия

Применяют для элементного анализа, наблюдения спектров поглощения атомов в газовой фазе

Флуоресцентная спектроскопия

Используют для исследования флуоресцирующих, фосфоресцирующих и люминесцирующих веществ. Флуоресценция — испускание некоторыми веществами света с большей длиной волны, чем поглощенное УФ или видимое излучение

Инфракрасная (ИК)-спектроскопия

Вариант колебательной спектроскопии в интервале 200-4000 см-1. Используют для идентификации веществ

Дальняя ИК-спектроскопия

ИК-спектроскопия в области волновых чисел менее 200 см-1

Рамановская (комбинационного рассеяния, КР) спектроскопия

Вариант колебательной спектроскопии, отличающийся от ИК-спектроскопии тем, что активизируют также некоторые неактивные колебания

Микроволновая спектроскопия

Спектроскопия поглощения для исследования вращательных спектров молекул

Спектроскопия электронного парамагнитного (спинового) резонанса (ЭПР)

Используют для исследования веществ с одним или несколькими неспаренными электронами

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

Поглощение или испускание радиочастотного излучения для исследования состояния ядерных спинов при выявлении молекулярных структур и изучении динамического поведения веществ в растворах и твердой фазе

Примечание:

1. Электронная, рентгеновская и нейтронная дифракция, а также масс-спектрометрия не относятся к спектроскопическим методам.

2. УФ-спектроскопию часто используют для определения концентрации растворов в соответствие с законом Ламберта-Бэра: количество световой энергии, поглощенной раствором, пропорционально концентрации растворенного вещества и длине пути света в этом веществе. Используется длина волны из области спектра, которую данное вещество поглощает наиболее сильно.

Схема спектометров ЭМИ

Рис. 1. Принципиальная схема спектрометров электромагнитного излучения (ЭМИ)

Наиболее доступны атомно-абсорбционная (ААС) и люминесцентная спектроскопия, пламенная фотометрия, спектрофотометрия в инфракрасной (ИК), видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра, колориметрия, рентгено-флуоресцентная спектроскопия (РФС), реже применяют спектрополяриметрию. Недостатки этих оптических методов анализа (пламенной фотометрии, атомно-абсорбционной спектрометрии, спектрофотометрии): низкая чувствительность, трудоемкость исследования, необходимость сложной пробоподготовки, низкая производительность.

Многоэлементные методы: нейтронно-активационный — очень дорог и трудоемок, полярографический — требует большого объема и полной минерализации пробы, капиллярный электрофорез и ионная хроматография — основаны на других принципах анализа и, следовательно, требуют специальной подготовки аналитика.

По производительности и точности анализа (пределу обнаружения, чувствительности и воспроизводимости) ни один из перечисленных методов не может сравниться с индуктивно-связанной атомно-эмиссионной спектрометрией на аргоновой плазме (ИСП-спектрометрия) — оптико-эмиссионной спектроскопии (ICP-OES), или атомно-эмиссионной спектроскопии (ICP-AES), появившейся в 70-х годах, и с индуктивно-связанной масс-спектрометрией (ИСП-МС = ICP-MS), или высокочастотной плазменной масс-спектрометрией, появившейся в 1983 г. (Mellon et al., 2000).

В настоящее время оптическую эмиссионную спектрометрию на аргоновой плазме в медицине применять не рекомендуется, поскольку при анализе возникает множество мешающих эффектов: спектральных помех («эффект матрицы») и перекрывания спектральных линий некоторых важных элементов. Эти помехи приводят к необходимости калибровать прибор индивидуально для анализа каждого объекта, что требует привлечения высококвалифицированного аналитика. Кроме того, требуется сравнительно большой объем пробы, поскольку максимальная чувствительность этого метода не превышает 10-8 г.

Наиболее распространенным методом многоэлементного анализа в настоящее время стала ИСП-МС. Чувствительность этого метода для большинства элементов почти достигает теоретического предела чувствительности аналитических методов (10-14 г). Это позволяет резко сократить объем пробы и процесс пробоподготовки — для определения почти всех элементов таблицы Менделеева, в том числе их изотопов, достаточно 0,1 мл капли крови. Этот метод рекомендован для проведения многоэлементных анализов в медицине Центром по контролю и профилактике заболеваний в Атланте, США (CDC).

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74142 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19363 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17166 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы