Элементы спектрального анализа

Такое широкое применение стало возможным благодаря разработке методов качественного  и количественного [7, 6] анализов сложных молекул по квазилинейчатым спектрам их люминесценции.

Очевидно, первое количественное применение (полуколичественное) ,используя квазилинейную флуоресцентную эмиссию успешно было выполнено Богомоловым и др.[7] , когда был достигнут полуколичественный метод анализа 3,4 бензпирена  (в н-гексане при 77 К),базировавшийся на числе линий, присутствующих в спектре, при концентрации     21 линия были видимы, несмотря на nо, что только 4 линии наблюдались при концентрации. Ильина и Персонов предложили метод для определения перилена в ароматический фракции масел и битумах[36].  Определение было выполнено по оценке содержания перилена  в образцах, сравнивая с флуоресцентным спектром искусственных смесей, сделанных из подобного масла о прибавленной хорошо известной концентрацией перилена.

Муель и Лакрос[50], работая в лаборатории Пастера ( Институт Радия, Париж), описали первые количественные методы анализа для 3,4 бензпирена  (при 83 К) в н-октане, когда было предложено использование методики стандартной примеси, обычно используемой в пламени фотометрии. Используя этот метод, Муель и Лакрос получили точность ±10 % и предел обнаружения для концентрации . Метод стандартной примеси был использован, чтобы избежать изменений, обусловленных самопоглощением, эффект для чужих ионов или молекул и изменение интенсивности обусловлены изменением в скорости замораживания, В этой прекрасной работе также было исследовано практическое применение.

Эта работа вскоре была завершена Дикуном [34], который в 1961 г изобрёл метод для определения 3,4 бензпирена   при 77 К, используя 1,12 бензперилен   как внутренний стандарт и н-гексан как раствор.  Пропорциональность между линиями наблюдалась только при низких концентрациях ( меньше чем или≈), и относительная ошибка, для 15 анализов была ± 8%. Этот метод был сравнён со спектрометрическим методом поглощения и заметное улучшение в чувствительности ( 100 раз ) наблюдалось с новым методом Автор также заметил, что наличие 1,12 бензперилена , который обычно присутствует в такой же хромотографической фракции не мешает, как обычно случается в методе поглощения.

Персонов[38] независимо изобрёл подобный метод внутреннего стандарта в н-октане при 77 К. Антрацен, пирен, перилен, 1,12 бензперилен    и коронен были опробованы как внутренние стандарты. перилен и коронен дали фактически отчётливую флуоресценцию. Перилен,  однако, имеет большое число интенсивных поглощают групп, которые в результате искажают соответствующую часть флуоресцентного спектра 3,4 бензпирена, коронен был попользован, как внутренний стандарт Персонов также наблюдал, что отношение интенсивностей () было чрезвычайно чувствительно к изменениям в скорости замораживания также, если образцы имели флуоресценцию тушителей, которая видоизменяла интенсивности 3,4 бензпирена    и коронена в различные стороны, было замечено что это приводило к изменениям в отношении интенсивности для их линий. Используя метод внутреннего стандарта,  Прохорова и Знаменский[39] обнаружили концентрацию  в парафине. Успехи и трудности, связанные с аналитическим применением эффекта Шпольского были описаны в 1962 году Шпольским и Персоновым[40].

Эйчхоф и Кёхлер[49] исследовали люминесцентные характеристики антрацена,  3-метилколантрацена  и 3,4 бензпирена    при 79 К в н-гептане; в последнем из них была достигнута зависимость интен­сивности от концентрации.  Относительная ошибка была 6,4 % при концентрации  , предел обнаружения был .

Персонов и Теплицкая[41], используя метод абсолютных интенсивностей и метод примесей определили 3,4 бензпирен, перилен и 1,12 бензперилен  в органических материалах из минералов и горных пород. Используя настоящий образец, сравнение было сделано между прямым методом и методом стандартных примесей и были получены очень похожие результаты для перилена  и 1,12 бензперилена .

Персонов и Теплицкая ,однако,  поднимают вопрос о том, что если образец известен не как тушитель флуоресценции и точные требования не налагаются на величину ошибки, анализ может быть в таких случаях проведен, используя метод сравнения со стандар­тным раствором правильнее, чем со средним числом большинства точных методов стандартных примесей[41].

Ягер и Лугрова[42] после исследования синтетических смесей, также показали, что количество 3,4 бензпирена, найденное после анализов, было всегда меньше, чем количество прибавленное ( -7 -10 % ). Авторы объясняют этот эффект ,как причину интерференции других компонентов, присутствующих в смеси. Также было найдено, что высоконцентрационная граница для анализа 3,4 бензпирена    в   конечном растворе была , будучи оптимальной при типичном значении .

Данильцева  и Хесина [43] установили метод для анализа, 7,12-демитилбензоантрацена  в н-октане при 77 К. Предложенный метод был комбинацией двух методов  стандартной примеси и внутреннего стандарта (комбинированный метод): 3,4,5,6,7-трибензопирен (ТВР) был выбран внутренним стандартом, так как это соединение имеет отчётливый квазилинейный флуоресцентный спектр в н-октане и, следовательно, не искажает аналитику квазилинейного испускания.

Дикун и др [34] сравнили комбинированный метод, описанный выше с методом внутреннего стандарта и методом примесей для анализа 3,4 бензпирена   в н-октане при 77 К. 1,12 бензперилен,   был использован как стандарт для методов внутреннего и комбинированного. Это сравнение показало, что большая разница в результатах была получена, когда был исполь­зован метод примесей (+ 29 %),и похожие результаты ( 8 - 10 %) были получены, когда был использован или метод внутреннего стандарта, или комбинированный метод.

Дикун со своими сотрудниками, однако, поднимают вопрос о том, что когда анализируются реальные образцы, существует возможность, что они включают другие вещества, которые могут тушить флуоресценцию излучаемых соединения. Согласно Персонову и Теплицкой[41] такие соединения  хотя они не представляют реальной проблемы ни в ком­бинированном методе ни в методе примесей - могут мешать в методе внутреннего стандарта. Количественные   анализы для 3,4 бензпирена, сделанные Дикуном  и его сотрудниками, в различных образцах, используя внутренний стандарт или комбинированный метод, показывают, что ре­зультаты представляют расхождения, но не было возможности прийти к определённому выводу, что примеси, которые присутствуют в образцах были ответственны за различия[34]. Эти сотрудники сделали вывод, что опасность тушения веществами, которая появляется в методе внутреннего стандарта сильно переоценивается Персоновым и Теплицкой.

Из всего вышесказанного ясно, что методы спектрального анализа нашли самое широкое применение и в  медицине и в нефтеперерабатывающей промышленности и в фундаментальных исследованиях. Поэтому важную роль при использовании спектров органических соединений играет их достоверность и точность, а это не всегда возможно в силу многих причин.

§2. Факторы, влияющие на точность спектрального анализа.

Резкие квазилинейчатые спектры люминесценции (и поглоще­ния) обладают рядом особенностей, которые позволяют эффектив­но использовать их в аналитических целях. Эти особенности квазилинейчатых спектров лю­минесценции сделали их наиболее тонким и точным современным аналитическим методом и указывают на целесообразность и перспективность применения его для спектрохимического анализа многокомпонентных природных смесей[6,7].

1.           Специфичность

Тонкость, многочисленность и индивидуальное расположение полос в спектре люминесценции каждого углеводорода позволяют осуществить достоверную идентификацию.

2.           Селективность

Позволяет обнаруживать индивидуальные соединения в слож­ных смесях, когда доля вещества так мала, что спектр флуорес­ценции при обыкновенной температуре дает лишь слабый намек или вообще не дает указаний на его присутствие.

3.           Чувствительность

Чувствительность обнаружения индивидуального углеводоро­да в «чистых» растворах н-парафинов достигает  [7]. Т. е. превосходит на 2—3 порядка чувствительность обыч­ного люминесцентно-спектрального анализа при комнатной тем­пературе и намного превосходит чувствительность методов коле­бательных спектров.

С помощью квазилинейчатых спектров возможно определение отдельных индивидуальных органических соединений  (одновременно 4—5 веществ) в многокомпонентных смесях даже тогда, когда они входят в смесь в виде следов и анализ другими методами не­возможен.

Анализ имеющихся экспериментальных данных показывает, что харак­тер квазилинейчатого спектра зависит от условий образования смешан­ного кристалла (растворитель — вещество). Оптические свойства обра­зовавшегося поликристаллического раствора определяются свойствами растворителя, условиями кристаллизации раствора, наличием люминесцирующей примеси, характером взаимодействия между ними и содер­жанием в растворе других компонент.

Растворители. Для получения дискретных спектров флуоресценции и поглощения ароматических углеводородов удобными растворителями оказались нормальные парафины, хотя в ряде исследований была пока­зана пригодность для этих целей других жидкостей, кристаллизующихся при замораживании: Для каждого соединения удается подобрать один или группу н-парафинов, в которых условия для возникновения квази­линейчатых спектров наиболее благоприятны. В частности, для соедине­ний с линейной структурой (полиацены, полифенилы, дифенилполиены и т.д.) наиболее резкие спектры наблюдаются в тех случаях, когда ли­нейные размеры молекул растворителя близки к линейным размерам молекул примеси. Меняя растворитель, удается выделить квазилиней­чатые спектры различных компонент смеси.

Концентрации. Выбор оптимальных концентраций исследуемого вещества в «чистом» растворителе диктуется следующими соображени­ями. Как отмечалось ранее в ряде работ [6,7], квазилинейчатый характер имеют спектры молекул, находящихся в замороженном раст­воре в состоянии так называемого «ориентированного газа», т. е. для этого необходимы небольшие концентрации примесных молекул. Уве­личение концентрации приводит к возникновению взаимодействия меж­ду молекулами примеси, к миграции энергии между раз­личными компонентами сложной смеси и, возможно, к образованию аг­регатов примесных молекул. Это в свою очередь способствует «размы­ванию» спектра и появлению полос в более длинноволновой области.

Существуют данные о влиянии примеси и на характер кристалличе­ской структуры матрицы, возникающей при замораживании. Под влия­нием высоких концентраций растворенного вещества в некоторых уча­стках происходит перестройка матрицы — растворителя, что приводит к изменению характера квазилинейчатого спектра растворенных молекул.

Скорость охлаждения. В ряде работ [7, 32] показано, что характер и структура квазилинейчатых спектров сильно зависят от скорости ох­лаждения раствора. Обычно кюветы или пробирки с исследуемым раствором быстро погружаются в жидкий азот. В таком случае говорят о быстром замораживании. Однако скорость замораживания раствора существенно зависит от объема и формы кюветы. Можно предположить, что наружные слои раствора замерзают довольно быстро, а внутренние могут промерзать значительное время. В результате условия образова­ния кристаллического раствора в разных частях кюветы неодинаковы, что сказывается на характере спектра излучения и еще сильнее на спектре поглощения. В тонких слоях (100 мкм и меньше) кристаллизация проходит быстрее, и это может приводить к существенным спект­ральным изменениям[37].

Влияние кислорода. Известно, что все растворители при комнат­ной температуре и атмосферном давлении содержат то или иное количе­ство растворенного в них кислорода. Так, например, в н-гексане при этих условиях растворено  кислорода. Известно так­же, что люминесценция полициклических ароматических углеводородов в растворе н-парафинов при комнатной температуре подвержена силь­ному кислородному тушению. Например, люминесценция 3,4-бензпирена и 1,12-бензперилена в н-гексане при комнатной температуре тушится кислородом в 10 раз. Однако при понижении температуры раствора до 77°К растворенный в н-гексане кислород перестает оказывать влияние на интенсивность квазилиний флуоресценции этих соединений. Но при замораживании раствора в открытой кювете происходит силь­ная конденсация газообразного кислорода из окружающего воздуха, что приводит к частичному падению интенсивности люминесценции в результате воздействия конденсированного кислорода на люминесцирующие молекулы .

Условия возбуждения. Для возбуждения люминесценции образца необходимо, чтобы длина волны возбуждающего света попадала в об­ласть поглощения исследуемой молекулы. Выбор оптимальных условий возбуждения для данной смеси можно производить также с помощью спектров возбуждения. Возбуждение свечения исследуемого раствора длинами волн, соответствующими наиболее интенсивным полосам спектра возбуждения, будет давать наиболее интенсивные и частично дифференцированные спектры люми­несценции сложной смеси.

Мультиплетность. Квазилинейчатые спектры обладают своеобраз­ной особенностью: в целом ряде случаев каждому электронно-колеба­тельному переходу в спектре соответствует группа линий, повторяющих­ся часто по всему спектру и получивших название мультиплетов. Одной из причин возникновения мультиплетов является наличие нескольких типов излучающих центров,- находящихся в различных локальных усло­виях, что приводит к смещению электронных уровней, в то время как расположение колебательных подуровней при этом остается неизмен­ным . Объяснение происхождения мультиплетной структуры спектров не исчерпывается гипотезой разных центров. Некоторые из компонент мультиплета могут быть связаны с наличием близко рас­положенных уровней у одного и того же излучающего центра [7].

Учет влияния примесей в растворителе. Растворители, используе­мые для получения квазилинейчатых спектров, могут содержать как растворимые, так и нерастворимые примеси. Растворимые приме­си могут обладать собственной люминесценцией и могут выступать в роли так называемого внутреннего фильтра, когда они поглощают или возбуждающий свет, или люминесценцию исследуемых молекул. При высоких концентрациях такие примеси могут участвовать во всевозмож­ных процессах миграции энергии между компонентами раствора, а так­же способствовать перестройке матрицы растворителя и т.д.

На нерастворимых и плохо растворимых примесях  при обычном способе замораживания раствора, как на центрах кри­сталлизации, может происходить быстрый рост кристаллов н-парафина, и тем самым могут создаваться условия, как бы имитирующие ускорен­ное замораживание со всеми его преимуществами. Роль таких примесей становится еще более эффективной, если они могут служить акцептором - энергии возбуждения агрегатов исследуемых молекул в случае высокой концентрации последних. Попадание примеси в агрегации и кристаллы исследуемых молекул приводит к исчезновению диффузных спектров агрегатов, наложенных на квазилинии, что значительно облегчает ана­лиз. При проведении анализа иногда бывает целесообразно специально вносить такие примеси в исследуемую смесь [31,44, 41].

Влияние предварительного облучения. Известно, что некоторые[6] ор­ганические соединения под влиянием облучения ультрафиолетовым све­том испытывают фотохимические превращения. Поэтому во время ана­лиза сложных смесей таких соединений при рассмотрении их растворов под ультрафиолетовой лампой при комнатной температуре или во время установки ампулы (кюветы, пробирки) с раствором в дьюаре с жидким азотом облучение исследуемого объекта необходимо свести к минимуму, т. е. рассматривать под УФ-лампой минимальное время и устанавливать ампулу в дьюаре при перекрытом пучке ультрафиолетового излучения. Аналогично время рассмотрения хроматограмм на ко­лонке, в тонком слое и на бумаге под ультрафиолетовыми лучами необ­ходимо также свести к минимуму. Фотохимические превращения в растворах сложных углеродистых смесей могут происходить и под воздействием рассеянного дневного света. В работе Р..И. Персонова [31] описано, как в растворе перилена в хлороформе после 15-минутного облучения рассеянным дневным све­том обнаружилось присутствие не перилена, а неизвестного соединения, квазилинейчатый спектр люминесценции которого сдвинут по отноше­нию к спектру перилена в более длинноволновую сторону. Автор пред­полагает, что этот спектр мог принадлежать одному из хлор-производ­ных перилена, образовавшемуся в хлороформе под воздействием днев­ного облучения. Под воздействием возбуждающего излучения в исследуемом веществе могут возникать различные процессы, приводящие к ошибкам в анализе. Остановимся на процессах, носящих двухквантовый характер.

§3. Физические процессы, обусловленные двухквантовыми реакциями

Рассмотрим двухквантовые фотопроцессы, протекание которых в молекулярных системах может привести к усложнению анализа продукта с помощью эффекта Шпольского. Наиболее часто можно наблюдать фотоионизацию, фотоокисление, фоторазложение и Т-Т поглощение

В твердом стеклообразном растворе фенантрена- при 77 К приблизительно в центре спектра ЭПР появляется новая линия для перехода  [53]. Интенсивность этой полосы погло­щения пропорциональна квадрату мощности радиочастотного поля. Это было приписано двухквантовому переходу между несоседними триплетными подуровнями. Такой тип перехо­да представляет общее явление в спектрах ЭПР триплетных состояний органических мо­лекул.

Общая   теория двухквантовых переходов    развита Гёпперт-Майером [45]. Впоследствии дополнялась и расширялась многими авторами[2]. Одновременное поглощение двух квантов падающей электромагнитной  волны  может происходить всегда, когда   имеется    промежуточное состояние с            энергией,  близкой,  (но  не обязательно  точно равной) энергии

Двухквантовые пере­ходы представляют собой общее явление в абсорбционной спек­троскопии различного типа [46- 51]. Для обнаружения двухквантового перехода необходимо, чтобы изме­рение производилось возможно скорее после облучения. В противном случае слабый двухквантовый сигнал может быть закрыт сигналом свободных ради­калов, возникших при разложении растворителя.

Для состояния  органических соединений двухквантовые переходы проявляются наиболее легко при магнитных полях, удовлетворяющих условию[52]:

 (1.1)

Образование молекулы в электронно-возбужденном состоянии, синглетном или триплетном требует поглощения одного кванта света молекулой в основном состоянии. Поэтому первичный фото­химический акт обычно происходит в результате поглощения одного кванта света (закон Штарка — Эйнштейна). Скорость образования первичного продукта фотохимической реакции очевидно должна быть пропорциональна интенсивности света. Принсгейм [25], по-видимому, был первый, кто в 1923 г. предположил, что возможны фотохимические реакции, происходящие после поглощения кванта света молекулой в электронно-возбужденном состоянии. В этом случае первичный химический акт происходит в результате последовательного поглощения двух квантов света. Такие реакции мы в дальнейшем будем называть двухквантовыми.

где А — исходная молекула; А* — электронно-возбужденное со­стояние этой молекулы; В — продукт реакции;  и  — кванты света с одинаковой или разной энергией. Волнистой стрелкой показан темповой процесс (люминесценция или (и) безызлучательный переход в исходное состояние), который определяет собственное время жизни молекулы в состоянии А*. Из схемы  сразу видно, что увеличение интенсивности света и собственного времени жизни состояния А* будут благоприятствовать реализации двухквантовых реакций.

Из схемы двухквантовой реакции следует выражение для
скорости   реакции

,                                   (2.1)

где — интенсивность света;  — коэффициент пропорциональности. Было показано, что в неполярных жидкостях различия в энергиях одноквантовой фотоионизации ТМФД определяются различные химические реакции, в частности, с соседними молекулами растворителя. Эти реакции успешно конкурируют с быстрыми процессами внутренней конверсии.

Первичный двухквантовый фотохимический процесс часто сопровождается различными вторичными одноквантовыми фотохимическими процессами. Хотя в жесткой среде, особенно при низких температурах, можно зафиксировать такие частицы, как радикалы, ион-радикалы и электроны, часто трудно установить, образовались ли они в первичном двухквантовом процессе или во вторичных процессах[53].

Молекулы в высших возбужденных состояниях обычно могут вступать с разной вероятностью в различные первичные реакции. Естественно, что изменение среды сильно влияет на направление первичной реакции. Как недавно было установлено, увеличение энергии второго кванта приводит не только к резкому увеличению эффективности двухквантовой реакции, но и к изменению преимущественного направления химической реакции. Учитывая все эти соображения, целесообразно обсуждать двухквантовые реакции не по типам химических реакций а по классам ароматических соединений[53].

Льюис и Липкин[54] показали, что в жестких средах могут протекать три типа первичных фотохимических реакций:

Фотодиссоциация, например:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5