Методы спектрофотометрии, люминесценции и родственные им

Спектрофотометрия (фотометрия) применима для определения практически любого вещества, поскольку для каждого из них могут быть подобраны специфичные цветные реакции. Эти методы просты, доступны, но в большинстве случаев пригодны для определения одного, реже нескольких компонентов. Наибольшее распространение в сочетании со спектрофотометрией получило экстракционное и сорбционное концентрирование. Помимо снижения относительных пределов обнаружения, концентрирование обеспечивает отделение посторонних веществ, поглощающих в нужной области спектра, и дает возможность определять компоненты, которые в обычных условиях определять трудно.

Экстракционное концентрирование. Экстракционно-фотометрические методы основаны на измерении оптической плотности соединения непосредственно в органической фазе после его экстракционного выделения из водной фазы. Чаще всего их используют для определения элементов. При этом обычно стремятся селективно выделить один определяемый микроэлемент часто при помощи экстрагента, который дает окрашенный комплекс с определяемым компонентом.

Много методик основано на использовании дитизона, 8-гидроксихинолина, диэтилдитиокарбамината натрия и ряда других экстрагентов. В качестве примера можно привести определение меди в водах после экстракционного выделения в виде диэтилдитиокарбаминатного комплекса, экстракционно-фотометрические методы определения щелочных металлов после их избирательной экстракции краун-эфирами в присутствии окрашенных анионов-партнеров (пикрата, бромкрезолового зеленого и других красителей). Иногда возможно одновременное определение двух элементов, если максимумы поглощения их соединений лежат в различных областях спектра. Например, комплекс циркония с бензоилфенилгидроксиламином поглощает при 275 нм, а аналогичный комплекс титана – при 355 нм. Применяют и метод двух реагентов: на первой стадии для выделения микроэлемента используют избирательный экстрагент, а затем в экстракт вводят фотометрический реагент, который переводит интересующий нас элемент в окрашенный комплекс. Например, сурьму (III) можно селективно извлекать бензолом из иодидного раствора в виде SbI₃, а затем к бензольному экстракту прибавить органический реагент – оксиазосоединение, который образует с сурьмой интенсивно окрашенный комплекс.

Кроме того, можно применять спектрофотометрию для определения элементов в реэкстракте. Экстракционно-фотометрические методы часто обеспечивают высокую избирательность и чувствительность, отличаются простотой, не требуют сложного оборудования.

Сорбционное концентрирование. Использование сорбционного концентрирования в спектофотометрии значительно расширяет возможности этого метода. Помимо снижения относительных пределов обнаружения, концентрирование обеспечивает отделение посторонних веществ, поглощающих в нужной области спектра, и дает возможность определять компоненты, которые в обычных условиях определять трудно. С фотометрией можно сочетать концентрирование на самых разнообразных сорбентах, хотя на практике предпочтение отдают сорбционным системам, обеспечивающим избирательное выделение. Можно выделить несколько вариантов использования сорбционного концентрирования в спектрофотометрическом анализе.

Наиболее простой, хотя и не самый распространенный, способ основан на сорбции элементов в виде окрашенных соединений, десорбции их подходящим элюентом и спектрофотометрическом определении в элюате.

Примеры применения этого способа – определение концентрации Co, Fe, Mo, Cu и Ti в виде интенсивно окрашенных тиоцианатных комплексов после десорбции их с пенополиуретана ацетоном.

В другом, более распространенном, варианте для повышения чувствительности и селективности спектрофотометрического определения в элюат добавляют другой, более подходящий для конечного определения реагент.

Для определения марганца в морской воде к пробе воды (1 л) добавляли аммонийный буферный раствор до рН 8 и пропускали полученный раствор через колонку, заполненную 5 г сорбента Amberlite XAD-2 с химически привитыми группами 8-гидроксихинолина, со скоростью 3 мл/мин. После десорбции марганца 25 мл 1 М HCl его определяли в элюате по реакции с формальдексидом.

Люминесценция. Экстракционно-люминесцентные методы подобны экстракционно-фотометрическим; они отличаются только тем, что вместо оптической плотности измеряют интенсивность люминесценции экстракта. Применяемый для экстракции растворитель не должен люминесцировать. В отдельных случаях экстракция обеспечивает люминесценцию соединений, которые в водных растворах не люминесцируют; это относится, например, к комплексу галлия с солохромовым черным Т, который экстрагируют изоамиловым спиртом.

Твердофазная спектрофотометрия. Этот метод основан на прямом измерении светопоглощения сорбента после сорбции на нем определяемого компонента. Твердофазная спектрофотометрия предложена в 1976 г. японскими химиками, обнаружившими линейную зависимость между концентрацией элемента в исходном растворе и оптической плотностью ионообменника-концентратора. Из сорбентов, пригодных для использования в твердофазной спектрофотометрии, можно отметить синтетические иононообменники, пенополиуретаны, кремнеземы, в том числе золь-гель материалы на основе кремниевой кислоты. Измерение оптической плотности каждой из фаз имеет свои особенности.

Наиболее разработана спектрофотометрия ионообменников на основе сополимеров стирола с дивинилбензолом. Это отчасти связано с рядом их свойств, обусловленных набуханием; к набухшему ионообменнику применима модель гомогенного геля, позволяющая рассматривать его как концентрированный раствор электролита, в котором ионы определенного знака связаны с матрицей полимера. Приготовление пробы для фотометрического анализа сводится к получению светопоглощающего слоя, равномерно заполненного ионообменником. Как и в фотометрии растворов, используют кварцевую кювету, в которую переносят концентрат с небольшим количеством раствора, вторую кювету заполняют набухшим ионообменником того же зернения. Светопоглощение измеряют при одной, двух или трех длинах волн, одна из которых соответствует максимальному поглощению окрашенного соединения, а при других – светопоглощение отсутствует или мало. Ионообменники достаточно широко применяют для определения микроколичеств элементов методом твердофазной спектрофотометрии.

С твердофазной спектрофотометрией хорошо сочетается концентрирование элементов на пенополиуретанах. Описаны методы определения элементов, основанные на сорбции окрашенных соединений на ППУ, вырезанном в виде тонкого параллелепипеда, размеры которого соответствуют размерам кюветы (2 ´ 1 ´ 0,1 см), переносе сорбента в заполненную органическим растворителем кювету и измерении оптической плотности. Растворитель служит иммерсионной жидкостью, уменьшающей рассеяние света.

Разработаны методы определения хрома в виде дифенилкарбазидного комплекса и синей надхромовой кислоты, висмута в виде иодидного комплекса, кобальта в виде его тиоцианата, цинка, висмута хлорида и фенилхлорида Hg(II) в виде дитизонатов, фосфат-ионов в виде восстановленной формы молибдофосфорной гетерополикислоты.

Спектроскопия диффузного отражения. Сорбционное концентрирование удобно сочетать с последующим определением сорбированных веществ с применением спектроскопии диффузного отражения (СДО). В этом методе аналитический сигнал – диффузное отражение (R) – линейно связан с концентрацией сорбата функцией Кубелки-Мунка (F):

F = (1 – R)² (2R)⁻¹ = 2,3∙ε∙c∙s⁻¹,

где ε – молярный коэффициент поглощения сорбата, с – его концентрация, s – коэффициент рассеяния света. Отсюда следует, что F линейно связана с концентрацией сорбата, а зависимость F = f(l) совпадает со спектром его поглощения в растворе.

В качестве носителей можно использовать различные сорбенты – синтетические органические ионообменники, пенополиуретаны, силикагели. Для повышения избирательности сорбенты модифицируют различными аналитическими реагентами.

Довольно много работ посвящено определению веществ методом СДО после сорбционного концентрирования на ППУ. Пенополиуретаны обладают рядом преимуществ по сравнению с другими сорбентами при использовании их в спектроскопии диффузного отражения и других сходных методах анализа. Сорбат легко отделяется от анализируемого раствора в виде окрашенной компактной таблетки, а равномерное распределение сорбированного соединения в матрице сорбента позволяет использовать таблетки ППУ в качестве удобной аналитической формы без каких-либо дополнительных операций.

Для получения окрашенного соединения в фазе ППУ применяют различные способы. Первый основан на сорбции окрашенных соединений, образованных в анализируемом растворе между специально введенным аналитическим реагентом и определяемым компонентом. Так, металлы сорбировали и определяли в виде окрашенных тиоцианатных комплексов, а при определении кремния или фосфат-ионов в водном растворе получали молибдокремниевую или молибдованадофосфорную кислоты. Фенол, 1-нафтол и галловую кислоту определяли в виде 4-нитрофенилазопроизводных по реакции с тетрафторборатом 4-нитрофенилдиазония, катионные ПАВ – в виде ассоциатов с двухзарядным анионом бромфенолового синего, а анионные ПАВ – в виде ассоциатов с фенантролинатным комплексом железа (II). В отдельных случаях для повышения селективности методики полезно сначала провести сорбционное концентрирование бесцветных компонентов, а затем обработать сорбент подходящим хромогенным реагентом.

В основу второго способа положена реакция между определяемым компонентом, находящимся в водном растворе, и аналитическим реагентом, иммобилизованным на ППУ. При этом окрашенное соединение образуется в матрице ППУ за счет протекания реакции комплексообразования, как, например, при определении никеля с диметилглиоксимом, и хрома с дифенилкарбазидом.

Третий – весьма интересный способ получения окрашенных аналитических форм в фазе ППУ – основан на хемосорбционных процессах, протекающих с участием концевых групп этих полимеров. В этом случае можно ожидать большей селективности. Примером такого способа является определение свободного активного хлора, нитрит- и нитрат-ионов.

Цветометрия. Цветометрия – это область науки, занимающаяся способами измерения цвета и его количественным выражением. В последнее время она находит все более широкое применение в аналитической химии. Аналитическим сигналом, связанным с концентрацией определяемого компонента, в этом методе служат цветометрические характеристики образца (координаты цвета в различных системах, светлота, насыщенность цвета, желтизна, цветовой тон и другие).

C распространением цифровой фотографии, настольных сканеров и программ цифровой обработки изображения появился быстрый, объективный и автоматизированный способ оценки цветометрических характеристик окрашенных образцов. Полученный в результате цифрового сканирования или фотографирования файл изображения, представленный на экране монитора, может быть автоматически с использованием стандартных программ, прилагаемых к сканеру, проанализирован как по характеристикам цветности, так и по отражающей способности или светлоте.

Изучена возможность применения офисного сканера и компьютерных программ цифровой обработки изображений в качестве способа численной оценки интенсивности окраски веществ, сорбированных на пенополиуретане. Способ основан на сканировании окрашенных пенополиуретановых образцов с помощью настольного сканера, обработке цветных изображений в графическом редакторе Adobe Photoshop и построении градуировочных зависимостей в координатах яркость одного из выбранных каналов (R, G или B) – концентрация определяемого компонента с использованием программы Origin. Найдено, что градуировочные зависимости описываются убывающей экспонентой 1-го порядка. Преимуществом способа является высокая производительность, экспрессность и возможность математической обработки результатов. С помощью сканера и соответствующих программ обработки результатов сканирования можно определять вещества, сорбированные на пенополиуретане, с такой же чувствительностью, как и с помощью спектроскопии диффузного отражения.