Виды люминесцентного анализа и характеристика его особенностей

1.8 Виды люминесцентного анализа и характеристика его особенностей

Люминесцентным анализом называется обнаружение и исследование различных объектов с помощью явлений люминесценции. Наиболее важной задачей люминесцентного анализа является определение химического состава исследуемых веществ и установление процентного содержания в них отдельных компонентов. Анализ такого вида носит соответственно название качественного и количественного химического люминесцентного анализа.

Качественный химический люминесцентный анализ основан на том, что люминесцентные свойства являются характерным признаком излучающего вещества, тесно связанным с его составом, общим состоянием и структурой его молекул.

Количественный химический люминесцентный анализ основан на использовании определенной зависимости между интенсивностью люминесценции и концентрацией люминесцентного вещества. В большинстве случаев условия анализа подбираются так, чтобы осуществлялась пропорциональность между интенсивностью свечения и концентрацией вещества. Однако такая зависимость имеет место лишь в случаях, когда концентрации невелики. При высоких концентрациях определяемого вещества для осуществления анализа приходится тем или иным способом учитывать сложную зависимость интенсивности свечения от концентрации.

К люминесцентному анализу относится также изучение структуры и колебательных частот молекул по спектрам излучения, создающее фундамент для качественного люминесцентного анализа.

Чисто химические задачи не исчерпывают возможностей люминесцентного анализа. С его помощью можно обнаруживать и выявлять различные объекты и их детали, изучение которых оказывается невозможным при обычных условиях наблюдения и освещения. Люминесцентный анализ такого рода получил название люминесцентного анализа обнаружения или сортового люминесцентного анализа.

В то время как при химическом и эмиссионном спектральном анализе анализируемые вещества разлагаются, при люминесцентном анализе они, как правило, не подвергаются изменениям и их можно использовать в дальнейшей работе. Это преимущество люминесцентного анализа особенно существенно при исследовании трудно синтезируемых уникальных веществ, получаемых в ничтожных количествах. В отдельных случаях возбуждения люминесценции коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами в веществе могут происходить фотохимические превращения. Однако соответствующим подбором условий опыта эти трудности обычно могут быть обойдены.

Перечисленные свойства люминесцентного анализа дают представление о его исключительных возможностях, в определенных отношениях значительно превосходящих возможности других видов анализа. Однако следует отметить, что необычайно высокая чувствительность люминесцентного анализа одновременно создает и серьезные трудности его проведения, существенно ограничивая области его применения. Присутствие в образце даже ничтожных количеств люминесцирующих примесей обусловливает появление нового свечения, которое накладывается на люминесценцию основного вещества, искажая как спектральный состав, так и интенсивность его излучения. Поэтому значительные успехи в применении люминесцентного анализа могли быть достигнуты лишь на основе всестороннего развития учения о люминесценции в целом, после того как были установлены общие законы свечения и накоплен большой материал о люминесцентных свойствах различных классов соединений.

Наиболее распространенным и хорошо разработанным является люминесцентный анализ, основанный на возбуждении фотолюминесценции. При анализе кристаллических неорганических веществ (минералов, алмазов и др.) применяют катодное и рентгеновское возбуждения. В отдельных случаях в аналитических целях используют явления хемилюминесценции и радиолюминесценции.

1.9 Рентгенофлуоресцентный метод

Метод основан на зависимости интенсивности рентгеновской флуоресценции от концентрации элемента в образце. При облучении образца мощным потоком излучения рентгеновской трубки возникает характеристическое флуоресцентное излучение атомов, которое пропорционально их концентрации в образце. Излучение разлагается в спектр при помощи кристалл-анализаторов, далее с помощью детекторов и счетной электроники измеряется его интенсивность. Математическая обработка спектра позволяет проводить количественный и качественный анализ.

1.10 Рентгеновская флуоресценция

Когда атомы образца облучаются фотонами с высокой энергией - возбуждающим первичным излучением рентгеновской трубки, это вызывает испускание электронов. Электроны покидают атом. Как следствие, в одной или более электронных орбиталях образуются "дырки" - вакансии, благодаря чему атомы переходят в возбужденное состояние, т.е. становятся нестабильны. Через миллионные доли секунды атомы возвращаются к стабильному состоянию когда вакансии во внутренних орбиталях заполняются электронами из внешних орбиталей. Такой переход сопровождается испусканием энергии в виде вторичного фотона - этот феномен и называется "флуоресценция''. Энергия вторичного фотона находится в диапазоне энергий рентгеновского излучения, которое располагается в спектре электромагнитных колебаний между ультрафиолетом и гамма-излучением.

Различные электронные орбитали обозначаются K, L, M и т.д., где К – орбиталь, ближайшая к ядру. Каждой орбитали электрона в атоме каждого элемента соответствует собственный энергетический уровень. Энергия испускаемого вторичного фотона определяется разницей между энергией начальной и конечной орбиталей, между которыми произошел переход электрона.

Длина волны испускаемого фотона связана с энергией формулой E = E₁-E₂ = hc/l , где E₁ и E₂ – энергии орбиталей, между которыми произошел переход электрона, h – постоянная Планка, с - скорость света, l - длина волны испускаемого(вторичного) фотона. Таким образом, длина волны флуоресценции является индивидуальной характеристикой каждого элемента и называется характеристической флуоресценцией. В то же время интенсивность (число фотонов, поступающих за единицу времени) пропорциональна концентрации (количеству атомов) соответствующего элемента. Это дает возможность элементного анализа вещества: определение количества атомов каждого элемента, входящего в состав образца.

ГЛАВА 2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФЛУОМЕТРИИ В АНАЛИЗЕ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Сегодня люминесцентный метод анализа охватывает широкий круг методов определения разнообразных объектов от простых ионов и молекул до высокомолекулярных соединений и биологических объектов. Детектируется люминесценция самого объекта или его производных, возможно также использование изменения люминесценции специфичных агентов. Для сложных проб люминесцентное детектирование сочетается с химическим разделением (хроматография, электрофорез) или с биологическим выделением (иммуноанализ, метод полимеразной цепной реакции - ПЦР).

2.1 Важные для химического анализа свойства люминесценции

1. Возможность различения объектов по способам возбуждения люминесценции и его параметрам, например:

§   фотолюминесценция (спектр возбуждения)

§   хемилюминесценция (параметры реакции)

§   перенос энергии (характер донорно-акцепторного взаимодействия и условия возбуждения донора).

2. Возможность различения объектов по параметрам излучения:

§   спектр излучения

§   кинетика высвечивания (при импульсном возбуждении фотолюминесценции или при импульсном смешении хемилюминесцентных реагентов)

3. Возможность регистрации люминесценции в отсутствии иных свечений в спектральном диапазоне регистрации.

4. Интенсивность люминесценции прямо пропорциональна интенсивности возбуждения.

5. Параметры люминесценции молекул и ионов в конденсированной среде, как правило, сильно зависят от свойств матрицы и, в первую очередь, ближайшего окружения.

Благодаря этим особенностям, достигнуты очень низкие пределы определения (до 1 ppt и ниже) и высокая селективность (например, разделение ПАУ).

Выбор оптимальных условий градуирования методик рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) фильтров, нагруженных атмосферными аэрозолями

Для определения тяжелых металлов в атмосферных аэрозолях, собранных на фильтр, метод РФА является одним из самых перспективных. Однако градуирование методик РФА и контроль правильности результатов анализа затруднен из-за отсутствия отечественных стандартных образцов (СО) состава аэрозолей. Решение этой проблемы видится в создании синтетических СО и изыскании способов учета различия физико-химических свойств СО и реальных проб.

Испытано два приема приготовления СО: осаждение порошкового препарата на фильтр; введение порошка в раствор полимера и получение из смеси тонкой пленки. В качестве носителя частиц аэрозоля использован материал ГСО почв с добавками соединений тяжелых металлов. Первый прием оказался мало пригодным из-за потерь определяемых компонентов и неоднородности распределения порошка по фильтру: при нагрузке менее 5 мкг/см² (соответствует пробам аэрозолей) погрешность получения СО характеризуется относительным стандартным отклонением, равным 0,3. Для пленочных СО эта погрешность, обусловленная неоднородностью пленки по составу и толщине, не превышает 0,07.

Изучено влияние крупности D частиц порошкового препарата в пленочном образце на интенсивность I_i флуоресценции в области средних и коротких длин волн. Установлено, что для пленок на основе мономинеральной фракции при уменьшении D от 60 до 5 мкм I_i возрастает на 60 %. Для смеси минералов это изменение не превышает 30 %, для ГСО почв зависимость I_i =f(D) выражена слабо. Рекомендовано порошок, используемый при изготовлении СО доизмельчать со спиртом в агатовой ступке в течение 3 ч.

Для учета различия физико-химических свойств пленочных СО и реальных проб аэрозолей испытаны способы РФА, использующие в качестве корректирующих параметров интенсивность I рассеянного излучения, измеренного на различных участках рентгеновского спектра и интенсивность I_п флуоресценции атомов подложки, помещенной под анализируемый образец. Даны рекомендации по выбору оптимальных условий градуирования методики РФА аэрозолей.