Основы оптического метода анализа: виды и классификация

В этой статье мы подробно рассмотрим те аналитические методы, что основаны на изменении энергетического состояния отдельных атомов. Это оптические методы анализа. Приведем характеристику каждого из них, выделим отличительные черты.

Определение

Оптические методы анализа - совокупность методов, основанных на изменении энергетического состояния отдельных атомов. Второе их название - атомно-спектроскопические.

Оптические методы анализа будут различаться по способу получения и дальнейшей регистрации сигнала (нужного для анализа). Для их обозначения используют также аббревиатуру ОМА. Оптические методы анализа применяют для изучения энергетических потоков валентных, внешних электронов. Общее для всего их разнообразия - необходимость предварительного разложения на атомы (атомизации) анализируемого вещества.

Виды метода

Мы уже знаем, что именно является оптическим методом анализа. Рассмотрим теперь разнообразие данных методов:

• Рефрактометрический анализ.
• Поляриметрический анализ.
• Совокупность оптических абсорбционных методов.

Каждую из позиций этой классификации оптических методов анализа мы разберем далее отдельно.

Рефрактометрическая разновидность

Где применим рефрактометрический тип? Данный вид оптическо-спектрального метода анализа широко используется при исследовании пищевых продуктов - жировых, томатных, различных соков, джема, варенья.

Рефрактометрический анализ основывается на измерении показателя преломления (иное название - рефракции), по которому можно достоверно судить о природе конкретного вещества, его чистоте и процентном содержании в массах-растворах.

Преломление светового луча будет всегда возникать на границе двух различных сред при условии, что они имеют неодинаковую плотность. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления будет относительным показателем преломления второго вещества к первому. Эта величина считается постоянной.

От чего зависит показатель преломления? Прежде всего, от природы вещества. Значение имеют здесь также длина световой волны и температура.

Если угол света будет падать под 90 градусов, такая позиция будет считаться предельным углом преломления. Его величина будет зависеть только от показателей тех сред, через которые свет проходит. Что это дает? Если исследователю открыт показатель преломления первой среды, то после измерения предельного угла преломления второй он может определить показатель преломления уже интересующей его среды.

Поляриметрическая разновидность

Продолжаем разбирать основы оптических методов анализа. Поляриметрический основывается на свойстве некоторых видов веществ изменять вектор колебаний света.

Вещества, обладающие этим замечательным свойством, при прохождении сквозь них поляризованного луча именуются оптически активными. Например, особенности строения молекул всей массы сахаров обуславливает проявление оптической активности в различных растворах.

Поляризованный луч пропускают сквозь слой раствора такого оптически активного вещества. Будет изменено направление колебания - плоскость поляризации в результате этого окажется повернутой на некоторый угол. Он будет носить название угла поворота плоскости поляризации. Эта позиция зависит от следующего ряда факторов:

• Поворот плоскости поляризации.
• Толщина и концентрация исследуемого слоя раствора.
• Длина волны самого поляризованного луча.
• Температура.

Оптическую плотность вещества при этом будет характеризовать удельное вращение. Что это за величина? Под ней понимается угол, на который поворачивается плоскость поляризации при прохождении через раствор поляризованного луча. Принимаются при этом следующие условные величины:

• 1 мл раствора.
• 1 г вещества, растворенного в этом объеме раствора.
• Толщина слоя раствора (или же длина поляризационной трубки) - 1 дм.

Оптическая абсорбционная разновидность

Продолжаем знакомиться с оптическими методами анализа в аналитической химии. Следующая категория в классификации - оптическая абсорбционная.

Сюда входят те методы анализа, которые основаны на поглощении анализируемыми веществами электромагнитного излучения. Именно они считаются на сегодня самыми распространенными в исследовательских, научных, сертификационных лабораториях.

При поглощении света молекулы и атомы поглощающих веществ будут переходить в возбужденное новое состояние. Уже в зависимости от разновидности таких веществ, а также способности трансформирования поглощенной ими энергии выделяется целая совокупность абсорбционных оптических методов. Их мы представим более детально в следующем подзаголовке.

Классификация оптических абсорбционных методов

Предлагаем вашему вниманию классификацию данных методов оптического анализа в химии. Она представлена четырьмя позициями:

• Атомно-абсорбционный. Что входит сюда? Это анализ, базирующийся на поглощении энергии света атомами исследуемых веществ.
• Абсорбционный молекулярный. Этот метод основывается на поглощении света сложными ионами и молекулами изучаемого, анализируемого вещества. Большое внимание здесь уделяется инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой зонам спектра. Соответственно, это фотоколориметрия, спектрофотометрия, ИК-спектроскопия. Что тут важно выделить? Спектрофотометрия и фотоколориметрия основываются на взаимодействии излучения с рядом однородных систем. Поэтому в аналитической химии их часто объединяют в одну группу - фотометрические методы.
• Нефелометрия. Эта разновидность анализа основывается на поглощении и дальнейшем рассеянии энергии света взвешенными частицами исследуемого вещества.
• Флуорометрический (или люминесцентный) анализ. Метод основывается на измерении излучения, которое появляется при выделении энергии возбужденными молекулами изучаемого исследователем вещества. Представлен флуоресценцией и фосфоресценцией. Разберем их отдельно.

Люминесценция

Люминесценцией вообще в научном мире называют свечение атомов, молекул, ионов и иных более сложных частиц и соединений вещества. Оно появляется в итоге перехода электронов в нормальное состояние из возбужденного.

Таким образом, чтобы вещество начало люминесцировать, к нему необходимо подвести извне определенное количество энергии. Частицы исследуемого вещества поглотят энергию, перейдя при этом в возбужденное состояние, в котором будут пребывать определенный промежуток времени. Потом вернуться в прежнее состояние покоя, отдавая при этом долю собственной энергии в форме квантов люминесценции.

Фосфоресценция и флуоресценция

В зависимости от типа возбужденного состояния, а также времени пребывания вещества в нем, различают два типа свечения - фосфоресценцию и флуоресценцию. Каждое из них выделяется своими отличительными характеристиками:

• Флуоресценция. Разновидность собственного свечения определенного вещества, которое будет продолжаться лишь при облучении. Когда исследователь устранит источник возбуждения, свечение прекратится либо мгновенно, либо через 0,001 секунды.
• Фосфоресценция. Разновидность собственного свечения определенного вещества, которое будет продолжаться даже при отключении возбуждающего его света.

Для исследования продовольственных товаров применяется именно фосфоресценция. Люминисцентный метод исследования помогает обнаружить в изучаемом образце вещество при его концентрации 10-¹¹г/г. Такой метод будет хорош для определения некоторых разновидностей витаминов, наличия белков и жиров в молочных продуктах, исследования свежести мясных и рыбных изделий, диагностики порчи фруктов, овощей, ягод. Также люминисцентное исследование применяется для обнаружения в продуктах лекарственных включений, консервантов, пестицидов, различных канцерогенных веществ.

Всю абсорбционную группу при этом ученые нередко объединяют в спектрохимическую (или спектроскопическую) категорию в классификации оптических методов анализа в аналитической химии. Несмотря на то что методы по своей сути разные, их всех объединяет одно: в основе лежат одинаковые законы поглощения света. Но при этом налицо существенные различия по типу поглощающих частиц, аппаратному оформлению исследования и проч.

Фотометрическая разновидность

Название совокупности методов спектрального молекулярно-абсорбционного анализа. Они основываются на избирательном поглощении электромагнитного излучения в видимой, ультрафиолетовой, инфракрасной областях молекулами исследуемого компонента. Его концентрацию специалист определяет по закону Бугера - Ламберта - Бера.

Фотометрический анализ включает в себя фотометрию, спектрофотометрию и фотоколориметрию.

Фотоэлектроколориметрическая разновидность

Фотоэлектроколориметрический метод более объективен при сравнении с визуальной колориметрией. Соответственно, он дает более точные результаты исследований. Здесь используются различные ФЭК - фотоэлектроколориметры.

Световой поток при проходе через окрашенную жидкость частично поглощается. Остальная его часть попадает на фотоэлемент, где возникает электрический ток, который регистрирует амперметр. Чем интенсивнее концентрация раствора, тем больше его оптическая плотность. Тем больше будет степень поглощения света и тем меньше сила возникшего фототока.

Мы рассмотрели всю классификацию методов оптического анализа, применяющихся сегодня в аналитической химии: рефрактометрические, поляриметрические, оптические абсорбционные. Их объединяет необходимость предварительной атомизации вещества. Но при этом каждый из методов выделяется своими отличительными характеристиками - разновидностями получения и регистрации сигнала для анализа.