Люминесцентный анализ

 

Под люминесцентным анализом понимается совокупность методов анализа, основанных на явлении люминесценции - свечения вещества, возникающего после поглощения им энергии возбуждения. Кроме люминесцентного существуют родственные ему атомно-флуоресцентный и рентгеновский флуоресцентный виды анализа, которые рассматриваются ниже в разделах 5.1.4 и 5.1.6, соответственно.

В настоящем разделе рассмотрен широко применяемый в товароведении анализ, основанный на фотолюминесценции исследуемого вещества, которая возбуждается ультрафиолетовым светом. Мощными источниками такого света могут служить ртутно-кварцевые и ксеноновые лампы, а также лазеры. Регистрируют фотолюминесценцию визуально или с помощью спектрофотометров (см. раздел 5.1.1).

Молекулы вещества, поглощая энергию ультрафиолетового света, переходят в возбужденные энергетические состояния Ев. Поглощенная молекулой энергия может быть частично израсходована на безызлучательные переходы (например, на увеличение энергии колебательных и вращательных движений, т.е. перейти в тепловую) и при обратном переходе из возбужденного в основное состояние Е„, молекула излучит квант с меньшей энергией. При этом наблюдается свечение вещества в более длинноволновой области (обычно видимой).

Кратковременную люминесценцию, затухающую сразу после прекращения ее возбуждения, называют флуоресценцией, длительную, продолжающуюся некоторое время после возбуждения, - фосфоресценцией. Временных границ между этими видами люминесценции точно указать невозможно, тем не менее принято считать, что флуоресценция характеризуется временем между актами поглощения и излучения кванта света т < 10~10 с.

Спектр люминесценции является индивидуальной характеристикой вещества. Характер спектра люминесценции определяется его природой. Энергия квантов света, излучившегося при люминесценции, всегда меньше энергии квантов, поглощаемых веществом. Это положение установлено экспериментально и известно, как правило Стокса. Спектр люминесценции всегда смещен в сторону длинных волн по сравнению со спектром поглощения примерно так, как показано на рис. 5.1.3.1. Чем больше стоксово смещение, тем более надежно определение вещества люминесцентным методом.

Эффективность преобразования возбуждающего света в люминесцентное свечение характеризуется энергетическим и квантовым выходом лю-

минесценции. Энергетический выход представляет собой отношение излучаемой веществом энергии люминесценции Ел к энергии поглощенного света Е„:

Энергетический выход люминесценции при возбуждении возрастает пропорционально длине волны возбуждающего света, затем остается постоянным и после достижения некоторой граничной длины волны резко падает (закон Вавилова).

В люминесцентном анализе о количестве вещества судят по интенсивности люминесценции 1Л, которая пропорциональна числу излучаемых квантов, а их количество прямо пропорционально концентрации вещества с. (k - коэффициент пропорциональности):

На снижение интенсивности люминесценции влияют такие факторе!, как повышение температуры, изменение состава среды и вида растворителя, присутствие веществ - "тушителей" (галогены, Fe3+, Cu2+). Процессы, ведущие к снижению выхода люминесценции, называются тушением люминесценции.

Люминесцентный анализ нашел широкое применение при исследовании пищевых продуктов. Установлено, что начало гниения бобов, белой и красной капусты, огурцов на ранней стадии можно определигь по изменению цвета и интенсивности флуоресценции. Люминесценция свежего, лежалого и портящегося зерна различна. Метод позволяет обнаружить на ранних стадиях заболевания картофеля и отличать подмороженные клубни, имеющие белесовато-голубое свечение в ультрафиолете. Присутствие личинок гельминтов в мясе может быть обнаружено по их характерному розовому свечению в ультрафиолетовых лучах^ а кишечная палочка обнаруживает себя свечением в зеленовато-желтых тонах. Широко используется метод при определении белков, которые светятся благодаря содержащимся в них ароматическим аминокислотам, так созревание сырного теста изменяет цвет флуоресценции от серо-синего до фиолетового. Свежие куриные яйца имеют интенсивно красную флуоресценцию, дает которой при хранении меняется на голубой.

Спектральные люминесцентные характеристики используются для идентификации жиров, а по изменению положения максимума спектров люминесценции жиров судят о степени их окисления. Топленые животные жиры не флуоресцируют, маргарин светится в голубом диапазоне, а коровье масло в канареечно-желтом. Свечение молока от здоровых коров имеет флуоресценцию ярко желтого цвета, а молоко коров с больным выменем, молоко с добавлением соды или 15 % воды флуоресцирует в бледно-желтых тонах. Кобылье молоко флуоресцирует в синей области спектра.

По цвету люминесценции устанавливается сорт муки и наличие в ней примесей, чем больше в ней отрубей, тем выше интенсивность синего свечения. Подробно разработаны методы качественного и количественного анализа для определения ряда витаминов (тиамина, рибофлавина, фолие-вой кислоты).

 

Методы атомной спектроскопии (МАС)

 

Практической целью МАС при анализе вещества является качественное и/или количественное определение элементарного состава анализируемой пробы.

Еще 25-30 лет назад эти задачи решались только методом атомно-эмиссионного спектрального анализа в оптическом диапазоне спектра. В настоящее время достаточно широкое применение получили методы анализа по атомным спектрам поглощения и флюоресценции в оптическом диапазоне спектр, а также по эмиссионным спектрам и спектрам флюоресценции в рентгеновском диапазоне. Во всех случаях в основе этих методов лежат квантовые переходы валентных/внутренних электронов атомов из одного энергетического состояния в другое.

Одним из наиболее значимых свойств МАС является их дискретность (линейчатая структура) и сугубо индивидуальный характер, что делает такие спектры опознаваемым признаком атома данного элемента. И на этом основывается качественный анализ. Определение концентрации элемента производят путем определения интенсивности отдельных спектральных линий – аналитические линии.

 

Атомно-эмиссионный спектральный анализ (АЭСА)

 

Для получения спектра эмиссии частицам анализируемого вещества необходимо придать дополнительную энергию. В связи с этим пробу при спектральном анализе вводят в источник света, где она нагревается и испаряется, а попавшие в газовую фазу молекулы диссоциируют на атомы, при столкновении с электронами переходят в возбужденное состояние. В нем атомы находятся в течение 10-7 – 10-8 с. Самопроизвольно возвращаясь в нормальное или промежуточное состояние они испускают избыточную энергию в виде квантов света. Интенсивность спектральной линии/мощность излучения при переходе атома из одного энергетического состояния в другое определяется числом излученных атомов Ni, где i – число атомов, находящихся в возбужденном состоянии и вероятностью Аik перехода атома из состояния i в k:

где Jik – интенсивность спектральной линии/мощность излучения;

h – постоянная планка;

νik – частота перехода, соответствующая данной спектральной линии.

Сами по себе переходы атомов из одного энергетического состояния в другое подчиняются квантово-механическим правилам отбора.

Оптическая температура плазмы, при которой достигается максимальная интенсивность линий зависит от потенциала ионизации данного атома и от энергетического возбуждения данной спектральной линии. Кроме того, степень ионизации атома, а, следовательно, и интенсивность спектральной линии зависят от химического состояния плазмы и от концентрации в ней других элементов.

В АЭСА принято измерять интенсивность аналитической линии относительно интенсивности некоторых линий сравнения (внутр. ст.). Чаще всего эта линия принадлежит основному компоненту пробы в других случаях, компонент, играющий роль внутреннего ст. специально вводят в анализируемую пробу.