в Содержание

Перечень тем

Занятие 12

Тема 9

ПРЕИМУЩЕСТВА СОВРЕМЕННЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА.

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Студент должен знать как используют масс-спектрометрию для количественного анализа индивидуальных соединений, как осуществляется компьютерная идентификация масс-спектров с помощью библиотеки спектров анализируемых веществ, т.е. определять их качественный состав.

Все вещества представляют собой как бы растворы примесей в основном компоненте. Получить абсолютно чистое вещество практически невозможно, так как в нем тотчас происходит «растворение» компонентов окружающей среды, т.е. примесей, небольшое количество абсолютно чистого вещества может существовать лишь очень ограниченное время.

Для управления биологическими процессами нужны быстрые методы анализа, позволяющие контролировать ход процесса. Поэтому существуют тенденции к разработке не только высокочувствительных, но и так называемых «экспрессных», т.е. ускоренных, методов анализа. Некоторые из физических и физико-химических методов отличаются высокой чувствительностью и быстротой выполнения. Если гравиметрическое определение продолжается несколько часов, а иногда и суток, то анализ вещества современными физическими или физико-химическими методами обычно занимает всего несколько минут. Важную роль эти методы приобрели в контроле загрязненности окружающей среды (почвы, растений, природных вод) пестицидными остатками.

В количественном анализе все большее значение приобретает обработка результатов на ЭВМ для доказательства достоверности, что требует современного подхода и оборудования.

Сочетание различных инструментальных методов при анализе веществ ведет к возникновению новых современных «гибридных» методов. Например, сочетание хроматографии с фотометрией дает хроматофотометрию. Применяются хромато-масс-спектроскопия и другие «гибридные» методы. Все более важное значение приобретают автоматические анализаторы.

Современная аналитическая химия использует достижения физики, квантовой механики, радиоэлектроники, полупроводниковой техники.

Особенно важное значение приобретают физические методы анализа, основанные на использовании свойств глубоколежащих электронов, например, эмиссионный, флуоресцентный и рентгеноспектральный.

Получили распространение так называемые резонансные методы анализа - ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), основанный на возбуждении электронов и ядер атомов.

Эти методы основаны на измерении оптических показателей анализируемых веществ, на взаимодействии электромагнитного излучения с атомами или молекулами вещества. Процесс взаимодействия сопровождается излучением, поглощением или отражением лучистой энергии.

К этим методам относятся эмиссионный спектральный анализ, фотометрические методы (колориметрия, спектрофотометрия, турбидиметрия, нефелометрия), эмиссионная пламенная фотометрия, атомно-абсорбционный и люминесцентный методы, рентгеноспектральный анализ, магнитная спектроскопия (ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс).

Эмиссионный спектральный анализ основан на изучении спектров испускания (излучения) или эмиссион­ных спектров различных веществ.

Эмиссионная спектроскопия требует «сжигания» пробы анализируемого вещества в пламени газовой горелки (~ 2000-3000°С), электрической дуги (~ 5000-7000°С) или высоковольтной искры (~ 7000-15000°С). При этом анализируемое вещество испаряется, диссоциирует на составляющие атомы или ионы, которые, возбуждаясь, дают излучение. Свет, излучаемый раскаленными газами или парами, проходя через призму спектрографа, преломляется, и в результате получается ряд отдельных цветных линий, составляющих вместе линейчатый спектр. Линейчатый спектр каждого элемента характеризуется постоянными спектральными линиями, соответствующими лучам с определенной длиной волны и частотой колебаний. По наличию этих линий можно судить о присутствии того или иного элемента в анализируемом веществе.

Количественное определение элементов основано на измерении интенсивности характерных спектральных линий того или иного элемента, входящего в состав анализируемого вещества. При этом исходят из следующей зависимости: чем выше концентрация определяемого элемента, тем больше интенсивность его спектральных линий.

Различают два вида эмиссионного спектрального анализа — количественный и полуколичественный, которые отличаются степенью точности измерений. Более точные количественные определения выполняют с помощью приборов, называемых стилометрами. Для полуколичественных определений используют менее совершенные приборы - стилоскопы. Однако и те и другие приборы служат только для визуального наблюдения спектров.

В тех случаях, когда необходимо получить фотографии спектров на фотопластинках, применяют так называемые спектрографы. Они позволяют более объективно оценить количественное содержание элемента, так как степень почернения линий на пластинке пропорциональна концентрации определяемого элемента. Степень почернения линий на фотопластинке - так называемую плотность почернения - количественно измеряют с помощью особых приборов - микрофотометров. Концентрацию определяемого элемента находят по калибровочной кривой, которую предварительно вычерчивают, исходя из интенсивности спектральных линий эталонных образцов.

Эмиссионный спектральный анализ, позволяющий определять элементный количественный состав соединений, нашел широкое применение в науке и технике. Главное преимущество спектрального анализа перед химическими методами - его высокая чувствительность, позволяющая определять многие элементы, когда примеси их в анализируемом веществе не превышают десятитысячных долей процента. Спектральный анализ в отличие от химических методов обычно не требует предварительного разделения анализируемого вещества на отдельные компоненты. Он позволяет определять несколько элементов при их совместном присутствии. Наконец, эмиссионная спектроскопия отличается быстротой выполнения определений. При этом для анализа требуются весьма незначительные количества вещества, иногда несколько миллиграммов.

Этот метод разработали в 1859 г. немецкие ученые Бунзен и Кирхгоф. С помощью спектрального анализа они открыли элементы цезий и рубидий.

В дальнейшем эмиссионная спектроскопия позволила открыть многие другие элементы.

Фотометрия пламени (или эмиссионная пламенная фотометрия) основана на измерении интенсивности излучения атомов, возбуждаемого нагреванием вещества в пламени.

Исследуемый раствор распыляют (действием сжатого воздуха или кислорода) и в виде аэрозоля вводят в бесцветное пламя газовой горелки, работающей на ацетилене, водороде или на светильном газе. Если раствор содержит ионы легко возбуждаемых элементов, то в пламени возникает характерное для того или иного элемента излучение, и пламя окрашивается. Интенсивность излучения, как правило, прямо пропорциональна концентрации определяемого элемента в растворе (в определенном интервале концентраций). Выделяют характерное для данного элемента излучение, измеряют его интенсивность. Осуществляют это с помощью специального прибора - пламенного фотометра, регистрирующего излучение в определенной области спектра (с помощью светофильтров). Каждое определение позволяет установить содержание только одного заданного элемента в анализируемом веществе.

Методы, основанные на взаимодействии частиц с магнитными полями. Эти методы анализа основаны на использовании физических явлений, возникающих при взаимодействии частиц вещества и электромагнитного поля. Магнитные и электрические параметры вещества наблюдают с помощью радиофизических приборов.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основана на измерении резонансного поглощения электромагнитных волн исследуемыми веществами в постоянном магнитном поле. Возникновение ядерного магнитного резонанса объясняется тем, что ядра атомов многих элементов имеют момент количества движения и вращаются относительно собственной оси подобно спину электрона. Вращение ядра, несущего электрический заряд, вызывает появление магнитного момента. Следовательно, ЯМР обусловливается ядерным магнетизмом.

Спектры ядерного магнитного резонанса используют для исследования внутреннего строения и межмолекулярных взаимодействий в различных соединениях (твердых, жидких и газообразных). Особенно успешно спектроскопия ЯМР применяется при изучении комплексных соединений, химической кинетики, состояния различных ионов в растворах. Также ЯМР применяется для изучения вмешательства ксенобиотиков в процесс метаболизма организмов и веществ, особенно катализаторов реакций.

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основана на измерении резонансного поглощения электромагнитных волн частицами парамагнитных веществ в постоянном магнитном поле.

Электронный парамагнитный резонанс используют при наличии в исследуемой системе неспаренных электронов с соответствующими магнитными моментами.

Магнитные свойства появляются вследствие вращательного движения электронов, так как движущийся электрический заряд создает магнитное поле. При этом любая частица с неспаренным электроном (атом, ион, свободный радикал) уподобляется маленькому магниту. Движение электрона в атоме по орбите вызывает появление орбитального магнитного момента, а спин электрона создает спиновый магнитный момент. В этой сложной системе магнитных моментов суммарный магнитный момент равен нулю, магнитные свойства вещества не проявляются. Но они начинают проявляться в постоянном магнитном поле.

Спектры ЭПР изучают с помощью приборов - радиоспектрометров. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса пригодна для исследования твердых, жидких и газообразных веществ. Метод используют для определения концентрации парамагнитных веществ, в радиохимии, фотохимии, гетерогенном катализе, химической кинетике.

Macс-спектрометрия состоит в определении отдельных ионизированных атомов, молекул или радикалов после разделения потоков, содержащих частицы с различным отношением массы к заряду. Разделение этих частиц происходит под действием электрического и магнитного полей.

Распыление и ионизация анализируемого вещества может достигаться под действием искрового вакуумного разряда, пучка электронов, лазерных лучей.

В масс-спектрометре газообразный исследуемый образец бомбардируют потоком электронов, в результате чего образуются ионизированные молекулы или свободные радикалы. Полученный набор положительно заряженных частиц вытягивают из потока газа при помощи электрода, на который подается ускоряющее напряжение. При этом частицы разделяются в соответствии с отношением массы ионов к их заряду.

Масс-спектрометр автоматически регистрирует распределение заряженных частиц по массам и интенсивность соответствующих им пиков. Так получается масс-спектр, дающий разнообразную информацию о молекулах, введенных в прибор. Например, изучая масс-спектр, можно определять формулы соединений, расшифровать их структуру, найти молекулярные массы.

Macс-спектрометрию используют как для качественного, так и для количественного анализа индивидуальных соединений (рис. 55).

Применяют искровую масс-спектрометрию, отличающуюся сверхвысокой чувствительностью, позволяющую анализировать микроэлементный состав природных и синтезированных веществ. С помощью искровой масс-спектрометрии в одном образце анализируемого вещества (массой в несколько миллиграммов) удается определять до 70-75 основных и примесных элементов.

Хроматограмма искусственной смеси наркотиков, выделенных из волос. Количество каждого компонента 12 нг

Хроматограмма триазинанных гербицидов, полученная после их извлечения из травы методом ТФЭ

Хроматограмма экстракта твердых частиц табачного дыма (А) и градуировочный график для определения котинина (Б) 1 - никотин; 2 - котинин

Рис. 55. Ка­чественный и количественный анализ индивидуальных соедине­ний  методом мacс-спектрометрии

В современных хромато-масс-спектрометрических комплексах (рис. 56) расширены возможности анализа за счет получения дополнительной спектральной информации о хроматографических пиках.

Рис. 56. Комплекс хромато-масс-спектрометрический «Кристалл МС»