Спектральные (оптические) методы анализа

В современных химических исследованиях широко применяются спектральные методы анализа. Эти методы все в большей мере используются также и в техническом анализе химико-фармацевтических препаратов. Среди оптических методов наиболее доступной, а потому и самой распространенной является видимая и ультрафиолетовая (УФ) спектрофотометрия, которая позволяет при относительно несложном оборудовании быстро и точно проводить количественный анализ веществ. Использование записывающих приборов позволяет следить за изменением концентрации веществ во времени, а следовательно, поддерживать оптимальный технологический режим процесса.

Спектрофотометрия в видимой области и УФ-областях позволяет оценивать степень чистоты вещества, идентифицировать по спектру различные соединения, определять константы диссоциации кислот и оснований, исследовать процессы комплексообразования.

Инфракрасные (ИК) спектры являются характеристическими. Наличие в ИК-спектрах тех или иных полос поглощения позволяет расшифровать структуру вещества. В практике технологического анализа количественные определения с помощью ИК-спектров применяются пока относительно редко, но для установления качественного состава анализируемого вещества этот метод может оказаться полезным.

Люминесцентные методы можно использовать для идентификации веществ, обнаружения очень малых количеств веществ, контроля за протеканием химических реакций. Метод обладает очень высокой чувствительностью, однако применим для обнаружения только люминесцирующих молекул, что значительно сужает область его использования. Недостатком метода является также невозможность его применения при наличии нескольких люминесцирующих соединений. Вследствие этих причин люминесцентные методы в техническом анализе химико-фармацевтических препаратов применяют весьма ограниченно.

Другие методы, которые могут быть отнесены к спектральным (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и др.), широко используются в научных исследованиях, но не применяются в техническом анализе вследствие необходимости очень сложной и дорогой аппаратуры и высоких требований к квалификации обслуживающего персонала.

Напомним, что спектром называется совокупность электромагнитных излучений, испускаемых (спектр излучения) или поглощаемых (спектр поглощения) веществом.

Если рассматривать электромагнитный спектр в порядке возрастания длины волн, то нужно выделить следующие основные области: комические лучи, гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовая область, видимая область, инфракрасная область, микроволновая область, радиодиапазон. По мере увеличения длины волны излучения уменьшается его энергия. Так, энергия гамма-излучения составляет 10в8-10в9 ккал/моль, энергия УФ-излучения - 10в2-10в3 ккал/моль (вакуумная область) и 72-200 ккал/моль (кварцевая область), ИК-область - 1-10в-2, радиодиапазон - 10в-8-10в-4 ккал/моль.

В техническом анализе практически используются только УФ-, видимая и ИК-области спектра.

Для проведения количественного анализа можно построить эмпирический график зависимости поглощения от концентрации, используя для этого искусственно приготовленные смеси известного состава, а затем сравнить с этим графиком данные для анализируемого образца. Во многих случаях можно пользоваться простым соотношением, известным как закон Бугера - Ламберта - Бера:

или другой форме:

где I0, I - интенсивность излучения (света) до и после его прохождения через вещество; е - молярный десятичный коэффициент поглощения; с - концентрация; l - толщина слоя. e является характеристической постоянной вещества, которая служит мерой его поглотительной способности при данной длине волны. Законом Бугера - Ламберта - Бера, конечно, можно пользоваться для количественных определений в любой области электромагнитного спектра, но чаще всего его применяют к области электронных переходов, т. е. к видимой и УФ-областям спектра. Обычно спектральными методами удается провести количественные определения концентрации с ошибкой около 2%. Интервал концентраций, удобный для этих измерений, зависит от величины коэффициента молярного поглощения анализируемого вещества. Следует также иметь в виду, что закон Бугера - Ламберта - Бера строго выполняется только для разбавленных растворов.

Важнейшими составными частями приборов для спектральных исследований являются источник излучения, монохроматор (призма или дифракционная решетка для разложения спектра) и регистрирующее устройство. Исследуемое вещество помещают между источником излучения и монохроматором или между монохроматором и регистрирующим устройством. Материал, из которого изготавливаются кюветы для анализируемого вещества и призмы для монохроматора, не должен поглощать в исследуемой области спектра. Приемники излучения должны быть чувствительными в изучаемой области длин волн. С их помощью последовательно сканируется исследуемая область спектра и записывается интенсивность (или поглощение) в зависимости от длины волны.