Spektralanalyse

Spektralanalyse- eine Reihe von Methoden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung eines Objekts, basierend auf der Untersuchung der Spektren der Wechselwirkung von Materie mit Strahlung, einschließlich der Spektren elektromagnetischer Strahlung, akustischer Wellen, Massen- und Energieverteilungen Elementarteilchen usw.

Abhängig vom Analysezweck und der Art der Spektren werden verschiedene Methoden der Spektralanalyse unterschieden. Atomar Und molekular Spektralanalysen ermöglichen die Bestimmung der elementaren bzw. molekularen Zusammensetzung eines Stoffes. Bei den Emissions- und Absorptionsmethoden wird die Zusammensetzung aus den Emissions- und Absorptionsspektren bestimmt.

Die massenspektrometrische Analyse wird anhand der Massenspektren atomarer oder molekularer Ionen durchgeführt und ermöglicht die Bestimmung der Isotopenzusammensetzung eines Objekts.

Geschichte

Dunkle Linien in Spektralstreifen wurden schon seit langem beobachtet, die erste ernsthafte Untersuchung dieser Linien wurde jedoch erst 1814 von Joseph Fraunhofer durchgeführt. Ihm zu Ehren wurde der Effekt „Fraunhofer-Linien“ genannt. Fraunhofer stellte die Stabilität der Positionen der Linien fest, stellte eine Tabelle davon zusammen (er zählte insgesamt 574 Linien) und ordnete jeder einen alphanumerischen Code zu. Nicht weniger wichtig war seine Schlussfolgerung, dass die Linien weder mit dem optischen Material noch mit dem optischen Material in Zusammenhang stehen Erdatmosphäre, sondern sind eine natürliche Eigenschaft des Sonnenlichts. Ähnliche Linien entdeckte er in künstlichen Lichtquellen sowie in den Spektren von Venus und Sirius.

Es wurde schnell klar, dass eine der deutlichsten Linien immer in Gegenwart von Natrium auftrat. Im Jahr 1859 kamen G. Kirchhoff und R. Bunsen nach einer Reihe von Experimenten zu dem Schluss: Jeder Chemisches Element hat sein eigenes einzigartiges Linienspektrum und entlang des Spektrums himmlische Körper Es lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung ihrer Substanz ziehen. Von diesem Moment an tauchte in der Wissenschaft die Spektralanalyse auf, eine leistungsstarke Methode zur Fernerkennung chemische Zusammensetzung.

Um die Methode im Jahr 1868 zu testen, organisierte die Pariser Akademie der Wissenschaften eine Expedition nach Indien, wo eine vollständige Sonnenfinsternis. Dort entdeckten Wissenschaftler: Alle dunklen Linien im Moment der Sonnenfinsternis, als das Emissionsspektrum das Absorptionsspektrum der Sonnenkorona ersetzte, wurden, wie vorhergesagt, hell vor einem dunklen Hintergrund.

Die Natur der einzelnen Linien und ihr Zusammenhang mit chemischen Elementen wurden nach und nach geklärt. 1860 entdeckten Kirchhoff und Bunsen mittels Spektralanalyse Cäsium und 1861 Rubidium. Und Helium wurde auf der Sonne 27 Jahre früher als auf der Erde entdeckt (1868 bzw. 1895).

Arbeitsprinzip

Die Atome jedes chemischen Elements haben streng definierte Resonanzfrequenzen, weshalb sie bei diesen Frequenzen Licht emittieren oder absorbieren. Dies führt dazu, dass in einem Spektroskop an bestimmten Stellen, die für jeden Stoff charakteristisch sind, Linien (dunkel oder hell) in den Spektren sichtbar sind. Die Intensität der Linien hängt von der Stoffmenge und ihrem Zustand ab. Bei der quantitativen Spektralanalyse wird der Gehalt der untersuchten Substanz anhand der relativen oder absoluten Intensitäten von Linien oder Banden in den Spektren bestimmt.

Die optische Spektralanalyse zeichnet sich durch eine relativ einfache Implementierung und Abwesenheit aus komplexe Ausbildung Proben zur Analyse, eine kleine Substanzmenge (10-30 mg), die für die Analyse einer großen Anzahl von Elementen erforderlich ist.

Atomspektren (Absorption oder Emission) werden erhalten, indem die Substanz durch Erhitzen der Probe auf 1000–10000 °C in einen Dampfzustand überführt wird. Bei der Emissionsanalyse leitfähiger Materialien werden als Anregungsquellen für Atome ein Funke oder ein Wechselstromlichtbogen verwendet; In diesem Fall wird die Probe in den Krater einer der Kohlenstoffelektroden gelegt. Zur Analyse von Lösungen werden häufig Flammen oder Plasmen verschiedener Gase eingesetzt.

Anwendung

IN In letzter Zeit Am weitesten verbreitet sind emissions- und massenspektrometrische Methoden der Spektralanalyse, die auf der Anregung von Atomen und ihrer Ionisierung im Argonplasma von Induktionsentladungen sowie in einem Laserfunken basieren.

Die Spektralanalyse ist eine empfindliche Methode und wird häufig verwendet analytische Chemie, Astrophysik, Metallurgie, Maschinenbau, geologische Erkundung und andere Wissenschaftszweige.

In der Signalverarbeitungstheorie bedeutet Spektralanalyse auch die Analyse der Energieverteilung eines Signals (z. B. Audio) über Frequenzen, Wellenzahlen usw.

siehe auch

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Spektralforschungsmethoden basieren auf der Nutzung der Phänomene der Absorption (oder Emission) elektromagnetischer Strahlung durch Atome oder Moleküle einer bestimmten Substanz.

Die Frequenz (Wellenlänge) der Strahlung wird durch die Zusammensetzung des Stoffes bestimmt. Die Intensität des analytischen Signals ist proportional zur Anzahl der Partikel, die sein Auftreten verursacht haben, also der Masse des zu bestimmenden Stoffes oder der Komponente des Gemisches.

Spektralanalysemethoden bieten zahlreiche Möglichkeiten zur Beobachtung und Untersuchung relevanter Signale in Diverse Orte elektromagnetisches Spektrum - Röntgen- und Ultraviolettstrahlung, sichtbares Licht, Infrarot sowie Mikro- und Radiowellenstrahlung.

Je nach Quelle und Art des Analysesignals werden spektrale Methoden in molekulare Absorptionsspektrometrie, molekulare Lumineszenz- oder Fluorimetrie, Atomabsorptions- und Atomemissionsspektrometrie sowie Kernspinresonanz- und Elektronenparamagnetische Resonanzspektrometrie unterteilt.

IN Molekulare Absorptionsspektrometrie Sie untersuchen analytische Signale im Bereich von 200 bis 750 nm (UV-Strahlung und sichtbares Licht), die durch elektronische Übergänge äußerer Valenzelektronen verursacht werden, sowie die Absorption von Strahlung im IR- und Mikrowellenbereich, die mit Änderungen in der Rotation und Vibration von Molekülen verbunden ist . Die am weitesten verbreitete Methode basiert auf der Untersuchung der Absorption im sichtbaren Bereich des Spektrums im Wellenlängenbereich von 400 bis 750 nm – Photometrie; sowie eine Methode, die auf der Absorption von Strahlung in basiert verschiedene Teile Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums – IR-Spektrometrie, am häufigsten verwendete Absorption von Strahlung im mittleren (Wellenlänge 2,5 – 25 μm) und nahen (Wellenlänge 0,8 – 2,5 μm) IR-Bereich.

Photometrische Methode Die quantitative Analyse basiert auf der Fähigkeit des Analyten, einer Mischungskomponente oder ihrer farbigen Formen, elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich zu absorbieren. Die Aufnahmekapazität hängt von der Farbe der zu untersuchenden Substanz ab. Farbe wird bestimmt elektronische Struktur Molekülen ist es meist mit dem Vorhandensein sogenannter Chromophorgruppen im Molekül verbunden, die die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch die Substanz im sichtbaren und UV-Bereich des Spektrums bestimmen.

Das allgemeine Schema zur Durchführung der photometrischen Bestimmung ist einheitlich und umfasst die folgenden Schritte:

· Probenvorbereitung und Überführung des Analyten oder der Komponente in die Lösung, in eine reaktive Form, abhängig von der Chemie der analytischen Reaktion;

· Farbige erhalten analytische Form die Substanz wird als Ergebnis einer Farbreaktion unter optimalen Bedingungen bestimmt, die ihre Selektivität und Empfindlichkeit gewährleisten;

· Messung der Lichtabsorptionsfähigkeit der analytischen Form, d. h. Registrierung des analytischen Signals unter bestimmten Bedingungen, die seiner Lokalisierung und größten Intensität entsprechen.

Die Industrie produziert verschiedene Instrumente der molekularen Absorptionsspektrometrie – Kolorimeter, Photometer, Photoelektrokolorimeter, Spektrophotometer usw., in denen verschiedene Kombinationen von Lichtquellen, Monochromatisierern und Rezeptoren installiert sind. Geräte können wie folgt klassifiziert werden:

· nach der Methode der Monochromatisierung des Strahlungsflusses - Spektrophotometer, d. h. Geräte mit einem Prisma- oder Gittermonochromator, die dies ermöglichen hochgradig Monochromatisierung der Arbeitsstrahlung; Photoelektrokolorimeter, also Geräte, bei denen die Monochromatisierung durch Lichtfilter erreicht wird;

· je nach Messmethode - Einstrahl mit direktem Messkreis (Direktanzeige) und Zweistrahl mit Kompensationskreis;

· entsprechend der Methode zur Aufzeichnung von Messungen – Aufzeichnung und Nichtregistrierung.

Infrarot-Spektroskopie ist eine Analysemethode Chemische Komponenten, bei dem Energie innerhalb der Infrarotstrahlung absorbiert wird ( Wärmestrahlung). Mithilfe der IR-Spektroskopie können nahezu alle funktionellen Gruppen bestimmt, Verbindungen identifiziert usw. werden. Verschiedene Moleküle mit derselben Atomgruppe ergeben im IR-Spektrum Absorptionsbanden im Bereich derselben charakteristischen Frequenz. Charakteristische Frequenzen ermöglichen es, aus dem Spektrum bestimmte Atomgruppen eines Moleküls zu identifizieren und so die qualitative Zusammensetzung des Stoffes und die Struktur des Moleküls zu bestimmen. IN Allgemeiner Fall Der IR-Analysator ist ein Einstrahl- oder Zweistrahl-Infrarotspektrophotometer, das aus drei Hauptblöcken besteht: Probenvorbereitung, spektrophotometrische Messungen, Signalumwandlung und Berechnungen. Derzeit wurden IR-Analysatoren entwickelt, die auf Arbeiten im nahen Infrarotbereich des Spektrums von 0,8–2,5 Mikrometern basieren (NIR-Analysatoren).

Molekulare Lumineszenzspektrometrie. Als Analyseverfahren wird eine auf Fluoreszenzmessung basierende Analysemethode bezeichnet Fluorimetrie. Fluoreszenz (Lumineszenz – Emission von Licht) entsteht durch die Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge durch einen Stoff. Die Absorption von ultraviolettem Licht durch bestimmte Moleküle mit leicht angeregten Elektronen führt zu Fluoreszenz im sichtbaren Spektralbereich. Fluoreszenz ist für eine relativ kleine Anzahl von Verbindungen charakteristisch ( aromatische Verbindungen und Porphine). Eine Reihe von Verbindungen können durch Einführung einer fluoreszierenden Gruppe in das Molekül in fluoreszierende Verbindungen umgewandelt werden. Der Hauptvorteil der Fluorimetrie gegenüber anderen Absorptionsmethoden ist ihre hohe Selektivität, da deutlich weniger Substanzen fluoreszieren. Die Methode dient der empfindlichen Bestimmung kleinster Elementmengen während der Analyse organische Substanz, bei der Bestimmung kleiner Mengen von Vitaminen, Hormonen, Antibiotika, krebserregenden Verbindungen usw. Die Fluorimetrie wird zur Bestimmung von Mikroorganismen und Körperzellen eingesetzt.

Die Methode zur Bestimmung von Mikroorganismen besteht aus Spezielles Training ein Test, bei dem die im Produkt enthaltenen Bakterien mit einem Farbstoff leuchtend orange gefärbt werden, wodurch die Bakteriensuspension die Fähigkeit zur Fluoreszenz erhält. Die Fluoreszenzintensität ist proportional zur Anzahl der Mikroben und wird elektronisch gesteuert.

Die fluorimetrische Methode zur Überwachung von Mikroorganismen ist recht universell und verfügt über eine einfache Ausrüstung.

IN Atomspektroskopie Substanzen werden untersucht, indem man sie in einen atomaren Dampfzustand – Atomabsorptionsspektroskopie – oder einen gasförmigen Zustand – Atomemissionsspektroskopie – überführt. Die Methode der Atomspektroskopie wird häufig bei der Analyse verschiedener Arten von Rohstoffen und verwendet Lebensmittel. Mit der Methode können Sie etwa 70 verschiedene Elemente bestimmen; verwendet, um gleichzeitig zu bestimmen große Zahl Elemente (Multielementanalyse); für Serienanalysen dank hoher Empfindlichkeit und Geschwindigkeit.

Atomabsorptionsspektrometrie basiert auf der Messung der Absorption elektromagnetischer Strahlung durch den Atomdampf der analysierten Substanz. Der Unterschied in der Strahlungsintensität vor und nach dem Durchgang durch die analysierte Probe wird photometrisch gemessen. Das Gerät, mit dem die AAS-Methode durchgeführt werden kann, ist

· Atomabsorptionsspektrometer mit folgenden Hauptkomponenten,

· eine Lichtquelle mit einer bestimmten Wellenlänge, die für das untersuchte Metall charakteristisch ist;

· „Absorptionszelle“, in der die Probe zerstäubt wird;

· Monochromator zur Isolierung eines schmalen Teils des Spektrums einer bestimmten Wellenlänge;

Photomultiplier-Röhre, die die resultierende Intensität erkennt, verstärkt und misst Lichtstrom;

· ein Gerät, das das resultierende Signal registriert und aufzeichnet.

Die Lichtquelle sendet einen Strahlstrahl aus, dessen Spektrum für das zu bestimmende Element charakteristisch ist. Dieser Fluss wird durch eine Absorptionszelle und einen Monochromator fokussiert, wo der für das untersuchte Element charakteristische Spektralbereich isoliert wird. Der Fluss wird dann zu einer Photovervielfacherröhre geleitet und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Größe des letzteren hängt von der Intensität des in den Photomultiplier eintretenden Lichtstroms ab und wird von einem speziellen Gerät aufgezeichnet.

Durch den Vergleich der Messergebnisse in der Testprobe mit den Messergebnissen in Standardlösungen wird der Gehalt des Elements in der Probe bestimmt.

Als Strahlungsquellen für die Gehaltsbestimmung der betreffenden Metalle werden in der Regel Lampen mit Hohlkathode verwendet, die Quellen linearer Spektren sind. Die Kathode einer solchen Lampe hat die Form eines Hohlzylinders oder Glases. Das Volumen der Lampe ist mit einem Inertgas (Neon oder manchmal Argon) gefüllt. Es gibt Mehrelement-Hohlkathodenlampen, beispielsweise zur Bestimmung von Kupfer und Zink oder Kupfer, Zink, Blei und Cadmium. Sie können sehr praktisch sein. Ihr Vorteil ist die Reduzierung des Zeitaufwands für das Aufwärmen der Lampen. Allerdings erzeugen solche Lampen typischerweise geringere Energieemissionen als Einzelelementlampen, was zu einer schlechten Empfindlichkeit führt; Es kann zu spektralen Störungen kommen.

IN Atomemissionsspektrometrie Untersuchen Sie Atomemissionsspektren, die durch Anregung von Atomen im gasförmigen Zustand erhalten werden.

Mit Plasma werden Atome in den gasförmigen Zustand überführt und angeregt, als Medium zur Plasmaerzeugung dient Argon. Es gibt zwei Möglichkeiten, Plasma zu gewinnen. In einem von ihnen erfolgt die Erregung unter dem Einfluss elektrische Entladungen Zwischen den Elektroden befindet sich ein Gleichstromplasma, und in der anderen wird die Energie des hochfrequenten Wechselstroms durch magnetische Induktion auf das Gas übertragen – induktiv gekoppeltes Plasma. Dabei entstehen hohe Temperaturen, wodurch die meisten Atome in einen angeregten Zustand übergehen. Die Absorption von Energie durch solche Atome ist unmöglich, daher kommt es beim Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand zur Emission (Emission) von Photonen, deren Intensität proportional zur Anzahl der angeregten Atome ist. Die quantitative Bestimmung eines Elements erfolgt auf die gleiche Weise wie bei der Atomabsorptionsspektrometrie.

Geräte, die die Durchführung der Methode ermöglichen KKW, haben die gleichen Hauptbestandteile wie das Atomabsorptionsspektrometer.

Magnetresonanzspektroskopie. Massenspektroskopie. Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht die magnetische Resonanz, die aus der Wechselwirkung des magnetischen Moments eines Kerns mit einem externen Magnetfeld resultiert. Mit der NMR-Methode ist es möglich, Kerne mit ihrem eigenen Drehimpuls (Kernspin) und dem damit verbundenen magnetischen Moment des Kerns zu untersuchen.

Entsprechend Quantenmechanik eigener Moment Der Impuls (Spin) des Kerns nimmt genau definierte Werte an. Da der Kernspin ein Vektor ist, wird er durch Betrag und Richtung charakterisiert. In einem äußeren Magnetfeld sind zwei Ausrichtungen des Kernspins möglich: entlang und entgegen der Richtung Stromleitungen extern Magnetfeld. Jeder Spinwert entspricht einem bestimmten Energiewert. Die Umorientierung des Kernspins bei Richtungsänderung geht mit der Absorption der Energie DE einher. Solche Übergänge werden dadurch verursacht, dass der Kern dem Hochfrequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums ausgesetzt wird. In diesem Fall absorbiert das analysierte System Energie bei streng festgelegten Werten der Frequenz v, d. h. es wird das Phänomen der Resonanz beobachtet. Diese Energieabsorption wird experimentell gemessen, DE ist direkt proportional zur magnetischen Feldstärke am Ort des Kerns und wird als D definiert E= hv, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist.

Die Elek(EPR) untersucht die magnetische Resonanz, die aus der Wechselwirkung des magnetischen Moments eines Elektrons mit einem externen Hochfrequenz-Magnetfeld (Mikrowelle) resultiert. Mit der EPR-Methode wird die intramolekulare Umgebung ungepaarter Elektronen untersucht.

Die Theorie der Magnetresonanz ist nicht nur auf Kerne anwendbar, sondern auch auf Elektronen, da diese auch einen Spin und ein magnetisches Moment haben. Ohne ein äußeres Magnetfeld sind die Spins der Elektronen zufällig ausgerichtet und die Energie der Elektronen ist gleich. In einem konstanten Magnetfeld sind die magnetischen Momente der Elektronen entsprechend der Richtung des äußeren Magnetfelds ausgerichtet. Elektronen mit Spinorientierung entlang des Feldes befinden sich auf einem hohen Energieniveau, Elektronen mit Spinorientierung entgegen dem Feld befinden sich auf einem niedrigeren, stabileren Niveau. Werden Elektronen, die sich in einem gleichförmigen Magnetfeld befinden, einem hochfrequenten Magnetfeld ausgesetzt, dessen Richtung senkrecht zur Richtung des gleichförmigen Magnetfeldes steht, so ergeben sich bei bestimmten Verhältnissen zwischen der konstanten Feldstärke und der Frequenz des Wechselfeldes Es wird eine resonante Absorption der Wechselfeldenergie beobachtet. Es wird auf einem Spektrometer in Form eines paramagnetischen Elektronenresonanzspektrums – EPR-Spektrums – aufgezeichnet . Bei der quantitativen Auswertung des Spektrums wird die Spin-Spin-Wechselwirkungskonstante als wichtigster analytischer Parameter verwendet. Unter den spektroskopischen Methoden nimmt die Massenspektroskopie eine Sonderstellung ein. Diese Methode ist im engeren Sinne nicht spektroskopisch, da der Stoff bei der Analyse keiner elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt wird.

Die Massenspektroskopie basiert auf der Untersuchung des Stroms von Fragmentionen, die aus neutralen Molekülen einer Substanz gewonnen werden, indem man sie einem Elektronenstrahl aussetzt.

Mit der Methode untersuchter Stoff Kernspinresonanz, gleichzeitig in zwei Magnetfeldern platziert – einem konstanten und dem anderen Hochfrequenzfeld. Die Messung erfolgt auf einem NMR-Spektrometer , Die Hauptkomponenten davon sind: ein Elektromagnet (in einfachen Geräten wird ein Permanentmagnet verwendet); Hochfrequenzgenerator; ein Sensor, in den ein Reagenzglas mit einer Probe eingesetzt wird, ein elektronischer Verstärker und Integrator sowie ein Rekorder. Die NMR-Methode verwendet die folgenden analytischen Parameter: chemische Verschiebung, Spin-Spin-Wechselwirkungskonstante, Signalintensität, Relaxationszeit.

Methode der paramagnetischen Elektronenresonanz basiert auf der Messung der Energieabsorption eines externen Magnetfelds durch einen Stoff. Mit der EPR-Methode werden alle Verbindungen analysiert, die ungepaarte Elektronen enthalten, unabhängig von deren Elektronen Aggregatzustand. Der Anwendungsbereich wird durch das Design der Küvette bestimmt. EPR ist eine der empfindlichsten Methoden, die Empfindlichkeitsgrenze liegt bei 10 „mol/l.

Massenspektrometer basiert auf der Erzeugung von Ionen aus neutralen Molekülen, indem diese einem Elektronenstrahl ausgesetzt werden, dessen Energie zur Ionisierung ausreicht. Dabei entstehen überwiegend positive Ionen, die in einzelne Fragmente zerfallen können. Die aufgezeichnete Abhängigkeit der Ionenströme von der Masse einzelner Fragmente wird als Massenspektrum bezeichnet. Ein durch Wechselwirkung mit einem Elektron (mit einer Energie von mehr als 103 kJ/mol) angeregtes Molekül zerfällt in ein positives Molekülion und ein Elektron (Ionisation).

In den meisten Fällen verfügt das Molekülion über eine erhebliche innere Energie und zerfällt schnell weiter in geladene und ungeladene Fragmente (Fragmentierung).

Fragmentionen wiederum können zerfallen und neue Fragmente bilden. In einigen Fällen geht die Fragmentierung mit Umlagerungen einher. Der Prozess der Fragmentierung von Molekülionen erfolgt so lange, bis sie Ionen bilden, deren innere Energie für ihre weitere Umwandlung nicht ausreicht. Massenspektrometer arbeiten im Hochvakuum, was unerwünschte intermolekulare Reaktionen minimiert und zudem die intramolekulare Fragmentierung begünstigt.

Das Massenspektrum ist ein Spektrum von Linien positiv geladener Ionen. Trotz der Tatsache, dass echte Verbindung Es gibt keinen Unterschied zwischen Massenspektrometrie und optischer Spektrometrie; beide Methoden werden aufgrund der formalen Ähnlichkeit der grafischen Darstellungen der Spektren als spektrometrische Methoden bezeichnet.

Die Methode der Massenspektrometrie wird in der Forschungspraxis eingesetzt, um Verbindungen zu identifizieren und die Struktur unbekannter Substanzen genau zu bestimmen Molekulargewicht, Bestimmung der Elementzusammensetzung, Analyse von Spurenmengen biologisch aktiver Verbindungen, Bestimmung der Aminosäuresequenz von Peptiden, Analyse von Mehrkomponentenmischungen usw.

Macs-Spektralanalyse basiert auf der Fähigkeit gasförmiger Ionen, sich in einem Magnetfeld in Abhängigkeit vom m/e-Verhältnis zu trennen, wobei m die Masse und e die Ladung des Ions ist. Die Ionisierung von Molekülen in einem Gas erfolgt unter dem Einfluss eines Elektronenflusses. Die Massenzahl des Ions wird durch den m/e-Wert und die Ionenkonzentration durch die Intensität des entsprechenden Signals bestimmt.

Hochwertiges Massenspektrometer Die Analyse basiert auf der Messung der Ionenmasse. Die Identifizierung von Massen erfolgt anhand der Position der Linie auf der Fotoplatte, die durch Messung des Abstands zwischen den Linien mit bekannter Masse und der analysierten Linie festgelegt wird.

Quantitative Messungen in der Massenspektrometrie erfolgen über den vom Detektor aufgezeichneten Strom oder über die Schwärzung der Fotoplatte. Im ersten Fall basieren die Berechnungen auf der Tatsache, dass der Spitzenwert des Ionenstroms I proportional zum Inhalt der Komponente bzw. ihrem Partialdruck ist:

Wobei k, c Proportionalitätskoeffizienten sind; c - Konzentration; p - Druck.

Eine der wichtigsten Methoden zur Analyse der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes ist die Spektralanalyse. Basierend auf der Untersuchung seines Spektrums wird eine Analyse seiner Zusammensetzung durchgeführt. Spektralanalyse – wird in verschiedenen Studien verwendet. Mit seiner Hilfe wurde ein Komplex chemischer Elemente entdeckt: He, Ga, Cs. in der Atmosphäre der Sonne. Neben Rb, In und XI wird auch die Zusammensetzung der Sonne und der meisten anderen Himmelskörper bestimmt.

Anwendungen

Spektralkompetenz, häufig in:

1. Metallurgie;
2. Geologie;
3. Chemie;
4. Mineralogie;
5. Astrophysik;
6. Biologie;
7. Medizin usw.

Ermöglicht das Auffinden kleinster Mengen einer etablierten Substanz in den untersuchten Objekten (bis zu 10 - MS). Die Spektralanalyse ist in qualitative und quantitative unterteilt.

Methoden

Die Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes anhand des Spektrums ist die Grundlage der Spektralanalyse. Linienspektren haben eine einzigartige Persönlichkeit, genau wie menschliche Fingerabdrücke oder das Muster von Schneeflocken. Die Einzigartigkeit der Muster auf der Haut eines Fingers ist ein großer Vorteil bei der Suche nach einem Verbrecher. Dank der Besonderheiten jedes Spektrums ist es daher möglich, den chemischen Inhalt des Körpers durch Analyse der chemischen Zusammensetzung der Substanz zu bestimmen. Selbst wenn die Masse eines Elements 10 - 10 g nicht überschreitet, kann es mithilfe der Spektralanalyse in der Zusammensetzung eines komplexen Stoffes nachgewiesen werden. Dies ist eine ziemlich empfindliche Methode.

Emissionsspektralanalyse

Bei der Emissionsspektralanalyse handelt es sich um eine Reihe von Methoden zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes aus seinem Emissionsspektrum. Grundlage für die Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes – die Spektraluntersuchung – sind die Muster in den Emissionsspektren und Absorptionsspektren. Mit dieser Methode können Sie Millionstel Milligramm einer Substanz identifizieren.

Entsprechend der Etablierung der analytischen Chemie als Fachgebiet gibt es Methoden der qualitativen und quantitativen Untersuchung, deren Zweck darin besteht, Methoden zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes zu formulieren. Methoden zur Identifizierung einer Substanz sind in der qualitativen organischen Analyse von großer Bedeutung.

Anhand des Linienspektrums von Dämpfen eines Stoffes lässt sich bestimmen, welche chemischen Elemente in seiner Zusammensetzung enthalten sind, denn Jedes chemische Element hat sein eigenes spezifisches Emissionsspektrum. Diese Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes wird als qualitative Spektralanalyse bezeichnet.

Röntgenspektralanalyse

Es gibt eine andere Methode zur Identifizierung einer Chemikalie, die Röntgenspektralanalyse. Die Röntgenspektralanalyse basiert auf der Aktivierung der Atome einer Substanz, wenn diese mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird. Dieser Prozess wird Sekundär- oder Fluoreszenzstrahlung genannt. Eine Aktivierung ist auch bei Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen möglich; in diesem Fall spricht man von direkter Anregung. Durch die Bewegung von Elektronen in den tieferen inneren Elektronenschichten entstehen Röntgenlinien.

Mit der Wulff-Bragg-Formel können Sie die Wellenlängen in der Zusammensetzung der Röntgenstrahlung einstellen, wenn Sie einen Kristall einer gängigen Struktur mit einem bekannten Abstand d verwenden. Dies ist die Grundlage der Bestimmungsmethode. Die zu untersuchende Substanz wird mit Hochgeschwindigkeitselektronen beschossen. Es wird beispielsweise auf der Anode einer zerlegbaren Röntgenröhre platziert und sendet anschließend charakteristische Röntgenstrahlen aus, die auf einen Kristall bekannter Struktur fallen. Die Winkel werden gemessen und die entsprechenden Wellenlängen mithilfe der Formel berechnet, nachdem das resultierende Beugungsmuster fotografiert wurde.

Techniken

Derzeit basieren alle Methoden der chemischen Analyse auf zwei Techniken. Entweder beim physikalischen Test oder beim chemischen Test, Vergleich der ermittelten Konzentration mit ihrer Maßeinheit:

Körperlich

Die physikalische Technik basiert auf der Methode, eine Mengeneinheit einer Komponente durch Messung mit einem Standard zu korrelieren physikalische Eigenschaften, der von seinem Gehalt in der Stoffprobe abhängt. Die funktionale Beziehung „Eigenschaftssättigung – Komponentengehalt in der Probe“ wird durch Versuche ermittelt, indem die Mittel zur Messung einer bestimmten physikalischen Eigenschaft entsprechend der installierten Komponente kalibriert werden. Aus der Kalibrierungskurve erhält man quantitative Beziehungen, konstruiert in Koordinaten: „Sättigung einer physikalischen Eigenschaft – Konzentration der eingebauten Komponente.“

Chemisch

Bei der Methode zur Korrelation einer Mengeneinheit einer Komponente mit einem Standard wird eine chemische Technik verwendet. Hierbei werden die Gesetze der Erhaltung der Menge oder Masse einer Komponente bei chemischen Wechselwirkungen genutzt. An chemische Eigenschaften chemische Verbindungen basierend chemische Wechselwirkungen. In einer Probe eines Stoffes wird eine chemische Reaktion durchgeführt, die den festgelegten Anforderungen zur Bestimmung der gewünschten Komponente entspricht, und das an einer bestimmten Reaktion beteiligte Volumen oder die Masse gemessen. chemische Reaktion Komponenten. Man erhält quantitative Beziehungen, dann wird die Anzahl der Äquivalente einer Komponente für eine gegebene chemische Reaktion oder das Massenerhaltungsgesetz niedergeschrieben.

Geräte

Instrumente zur Analyse der physikalischen und chemischen Zusammensetzung eines Stoffes sind:

1. Gasanalysatoren;
2. Alarme für maximal zulässige und explosionsfähige Konzentrationen von Dämpfen und Gasen;
3. Konzentratoren für flüssige Lösungen;
4. Dichtemessgeräte;
5. Salzmessgeräte;
6. Feuchtigkeitsmesser und andere Geräte mit ähnlichem Zweck und Vollständigkeit.

Mit der Zeit nimmt die Bandbreite der analysierten Objekte zu und die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Analyse nimmt zu. Eine der wichtigsten instrumentellen Methoden zur Bestimmung der atomaren chemischen Zusammensetzung eines Stoffes ist die Spektralanalyse.

NOTIZ:

Der Preis für die chemische Untersuchung versteht sich inklusive Steuern. Transportkosten werden gesondert vergütet.

Chemische Zusammensetzung des Stoffes– die wichtigste Eigenschaft der vom Menschen verwendeten Materialien. Ohne deren genaue Kenntnis ist es nicht möglich, technologische Prozesse in der industriellen Produktion mit zufriedenstellender Genauigkeit zu planen. In letzter Zeit sind die Anforderungen an die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes noch strenger geworden: In vielen Bereichen der Produktion und wissenschaftliche Tätigkeit erfordern Materialien einer bestimmten „Reinheit“ – das sind Anforderungen für eine genaue, feste Zusammensetzung sowie strenge Beschränkungen hinsichtlich des Vorhandenseins von Verunreinigungen durch Fremdstoffe. Im Zusammenhang mit diesen Trends werden immer fortschrittlichere Methoden zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Stoffen entwickelt. Dazu gehört die Methode der Spektralanalyse, die genaue und genaue Ergebnisse liefert schnell lernen Chemie der Materialien.

Fantasie des Lichts

Natur der Spektralanalyse

(Spektroskopie) untersucht die chemische Zusammensetzung von Stoffen anhand ihrer Fähigkeit, Licht zu emittieren und zu absorbieren. Es ist bekannt, dass jedes chemische Element ein nur für es charakteristisches Lichtspektrum emittiert und absorbiert, sofern es in einen gasförmigen Zustand reduziert werden kann.

Dementsprechend ist es möglich, das Vorhandensein dieser Stoffe in einem bestimmten Material anhand ihres einzigartigen Spektrums zu bestimmen. Moderne Methoden Die Spektralanalyse ermöglicht es, das Vorhandensein einer Substanz mit einem Gewicht von bis zu einem Milliardstel Gramm in einer Probe zu bestimmen – dafür ist der Strahlungsintensitätsindikator verantwortlich. Die Einzigartigkeit des von einem Atom emittierten Spektrums charakterisiert seine tiefe Beziehung zur physikalischen Struktur.

Sichtbares Licht ist Strahlung von 3,8 *10 -7 Vor 7,6*10 -7 m, verantwortlich für verschiedene Farben. Stoffe können nur im angeregten Zustand (dieser Zustand ist durch ein erhöhtes Maß an innerer Energie gekennzeichnet) in Gegenwart einer konstanten Energiequelle Licht emittieren.

Die Atome der Substanz empfangen überschüssige Energie, geben diese in Form von Licht ab und kehren in ihren Normalzustand zurück. Energiezustand. Dieses von Atomen emittierte Licht wird für die Spektralanalyse verwendet. Zu den häufigsten Strahlungsarten gehören: Wärmestrahlung, Elektrolumineszenz, Kathodolumineszenz, Chemilumineszenz.

Spektralanalyse. Flammenfärbung mit Metallionen

Arten der Spektralanalyse

Es gibt Emissions- und Absorptionsspektroskopie. Die Methode der Emissionsspektroskopie basiert auf den Eigenschaften von Elementen, Licht zu emittieren. Um die Atome eines Stoffes anzuregen, wird eine Hochtemperaturerhitzung von mehreren hundert oder sogar tausend Grad eingesetzt – dazu wird eine Probe des Stoffes in eine Flamme oder in das Feld starker elektrischer Entladungen gelegt. Unter dem Einfluss hoher Temperaturen werden die Moleküle eines Stoffes in Atome zerlegt.

Atome, die überschüssige Energie aufnehmen, emittieren diese in Form von Lichtquanten verschiedener Wellenlängen, die von Spektralgeräten aufgezeichnet werden – Geräten, die das resultierende Lichtspektrum visuell darstellen. Spektralgeräte dienen auch als Trennelement des Spektroskopiesystems, da sie den Lichtfluss aller in der Probe vorhandenen Substanzen aufsummieren und zu ihren Aufgaben gehören, das gesamte Lichtspektrum in die Spektren einzelner Elemente aufzuteilen und deren Intensität zu bestimmen wird in Zukunft Rückschlüsse auf die Menge des Elements in der Gesamtmasse der Stoffe ermöglichen.

• Abhängig von den Methoden zur Beobachtung und Aufzeichnung von Spektren werden Spektralinstrumente unterschieden: Spektrographen und Spektroskope. Erstere zeichnen das Spektrum auf fotografischem Film auf, letztere ermöglichen die Betrachtung des Spektrums zur direkten Beobachtung durch den Menschen durch spezielle Spektive. Zur Bestimmung der Abmessungen werden spezielle Mikroskope eingesetzt, die eine hochgenaue Bestimmung der Wellenlänge ermöglichen.
• Sobald das Lichtspektrum erfasst ist, wird es einer sorgfältigen Analyse unterzogen. Dabei werden Wellen einer bestimmten Länge und ihre Position im Spektrum identifiziert. Anschließend wird eine Korrelation zwischen ihrer Position und ihrer Zugehörigkeit zu den gewünschten Stoffen hergestellt. Dies geschieht durch den Vergleich von Wellenpositionsdaten mit Informationen in Methodentabellen, die typische Wellenlängen und Spektren chemischer Elemente angeben.
• Die Absorptionsspektroskopie wird ähnlich wie die Emissionsspektroskopie durchgeführt. In diesem Fall wird die Substanz zwischen Lichtquelle und Spektralapparat platziert. Beim Durchdringen des analysierten Materials erreicht das emittierte Licht den Spektralapparat mit „Einbrüchen“ (Absorptionslinien) entlang bestimmter Wellenlängen – sie bilden das absorbierte Spektrum des untersuchten Materials. Der weitere Ablauf der Untersuchung ist für das obige Emissionsspektroskopieverfahren ähnlich.

Eröffnung der Spektralanalyse

Die Bedeutung der Spektroskopie für die Wissenschaft

Durch die Spektralanalyse konnte die Menschheit mehrere Elemente entdecken, die nicht bestimmt werden konnten traditionelle Methoden Anmeldung Chemikalien. Dabei handelt es sich um Elemente wie Rubidium, Cäsium, Helium (es wurde durch Sonnenspektroskopie entdeckt – lange vor seiner Entdeckung auf der Erde), Indium, Gallium und andere. Die Linien dieser Elemente wurden in den Emissionsspektren von Gasen nachgewiesen und waren zum Zeitpunkt ihrer Untersuchung nicht identifizierbar.

Es wurde deutlich, dass es sich dabei um neue, bisher unbekannte Elemente handelte. Die Spektroskopie hatte großen Einfluss auf die Entstehung der heutigen Metallurgie- und Maschinenbauindustrie, der Nuklearindustrie und der Landwirtschaft, wo sie zu einem der Hauptwerkzeuge für die systematische Analyse wurde.

Die Spektroskopie hat in der Astrophysik enorme Bedeutung erlangt.

Dies provoziert einen kolossalen Sprung im Verständnis der Struktur des Universums und die Bestätigung der Tatsache, dass alles, was existiert, aus denselben Elementen besteht, die unter anderem auf der Erde im Überfluss vorhanden sind. Mit der Methode der Spektralanalyse können Wissenschaftler heute die chemische Zusammensetzung von Sternen, Nebeln, Planeten und Galaxien bestimmen, die sich Milliarden Kilometer von der Erde entfernt befinden – diese Objekte sind aufgrund ihrer großen Entfernung natürlich nicht für direkte Analysemethoden zugänglich.

Mit der Methode der Absorptionsspektroskopie ist es möglich, entfernte Weltraumobjekte zu untersuchen, die keine eigene Strahlung haben. Dieses Wissen ermöglicht es uns, die wichtigsten Eigenschaften von Weltraumobjekten zu ermitteln: Druck, Temperatur, Strukturmerkmale und vieles mehr.

Berechtigt Spektralanalyse Wir verstehen die physikalische Methode zur Analyse der chemischen Zusammensetzung einer Substanz, basierend auf der Untersuchung der Emissions- und Absorptionsspektren von Atomen oder Molekülen. Diese Spektren werden durch die Eigenschaften der elektronischen Hüllen von Atomen und Molekülen sowie durch Schwingungen bestimmt Atomkerne in Molekülen und die Rotation von Molekülen sowie der Einfluss der Masse und Struktur von Atomkernen auf die Position Energieniveaus; Darüber hinaus hängen sie von der Wechselwirkung von Atomen und Molekülen mit der Umgebung ab. Dementsprechend nutzt die Spektralanalyse ein breites Spektrum an Wellenlängen – von Röntgenstrahlen bis hin zu Mikroradiowellen. Die Spektralanalyse umfasst keine massenspektroskopischen Analysemethoden, da sie nicht mit der Verwendung elektromagnetischer Schwingungen in Zusammenhang stehen.
Die Aufgabe beschränkt sich auf optische Spektren. Dieser Bereich ist jedoch recht groß; er umfasst den Vakuumbereich der ultravioletten Strahlung sowie die ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereiche des Spektrums. In der Praxis verwendet die moderne Spektralanalyse Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 0,15 bis 40–50?.
Die verschiedenen Arten der Spektralanalyse sollten aus drei Perspektiven betrachtet werden.
1. Entsprechend den zu lösenden Aufgaben:

1. elementar, wenn die Zusammensetzung der Probe durch Elemente bestimmt wird;
2. Isotop, wenn die Isotopenzusammensetzung einer Probe bestimmt wird;
3. molekular, wenn die molekulare Zusammensetzung der Probe ermittelt ist;
4. strukturelle, wenn alles installiert ist; oder die grundlegenden Strukturbestandteile einer molekularen Verbindung.

2. Entsprechend den verwendeten Methoden:

1. Emission, Verwendung von Strahlungsspektren, hauptsächlich von Atomen. Aber auch eine Emissionsanalyse der molekularen Zusammensetzung ist möglich, beispielsweise bei der Bestimmung der Zusammensetzung von Radikalen in Flammen und Gasentladungen. Ein Sonderfall Emissionsanalyse ist Lumineszenzanalyse;
2. Absorption, Verwendung von Absorptionsspektren, hauptsächlich von Molekülen und ihren Strukturbestandteilen; Analyse auf Basis von Atomabsorptionsspektren ist möglich;
3. kombinatorisch, Verwendung von Raman-Spektren fester, flüssiger und gasförmiger Proben, angeregt durch monochromatische Strahlung, üblicherweise das Licht einzelner Linien einer Quecksilberlampe;
4. leuchtend, Verwendung der Lumineszenzspektren einer Substanz, die hauptsächlich durch ultraviolette Strahlung oder Kathodenstrahlen angeregt wird;
5. Röntgen, Verwendung von a) Röntgenspektren von Atomen, die bei Übergängen innerer Elektronen in Atomen erhalten werden, b) Beugung von Röntgenstrahlen beim Durchgang durch das untersuchte Objekt, um die Struktur der Materie zu untersuchen;
6. radiospektroskopisch, Verwendung von Absorptionsspektren von Molekülen im Mikrowellenbereich des Spektrums mit Wellenlängen größer als 1 mm.

3. Aufgrund der Art der erzielten Ergebnisse:
1) qualitativ, wenn als Ergebnis der Analyse die Zusammensetzung ohne Angabe des Mengenverhältnisses der Bestandteile bestimmt oder eine Bewertung abgegeben wird - viele, wenig, sehr wenig, Spuren;
2) halbquantitativ, entweder grob quantitativ oder ungefähr. In diesem Fall wird das Ergebnis in Form einer Schätzung des Gehalts an Komponenten in einigen mehr oder weniger engen Konzentrationsbereichen angegeben, je nachdem, welche Methode der ungefähren quantitativen Bewertung verwendet wird. Aufgrund ihrer Schnelligkeit hat diese Methode beispielsweise bei der Lösung von Problemen, die keiner präzisen quantitativen Bestimmung bedürfen, breite Anwendung gefunden
Metallsortierung, bei der Beurteilung des Gehalts geologischer Proben bei der Suche nach Mineralien;
3) quantitativ, Dies liefert den genauen quantitativen Gehalt der zu bestimmenden Elemente oder Verbindungen in der Probe.
Alle diese Analysearten, mit Ausnahme der qualitativen, verwenden vereinfachte oder präzise Methoden der photometrischen Spektren.

Folgende Methoden unterscheiden sich in der Art der Spektrenaufnahme:
1.Visuell bei der Beobachtung von Spektren im sichtbaren Bereich mit einfachen oder speziellen Spektroskopen (Steeloskop, Stylometer). Im ultravioletten Bereich ist es möglich, relativ helle Spektren zu beobachten, indem man in Quarzspektrographen anstelle einer Fotoplatte Leuchtstoffschirme einsetzt. Der Einsatz elektronenoptischer Wandler ermöglicht die visuelle Beobachtung von Spektren im ultravioletten und nahen Infrarotbereich (bis 12000 A).
2.fotografisch, Verwendung einer fotografischen Platte oder eines Films zur Aufnahme von Spektren mit anschließender Verarbeitung.
3.Photovoltaik für ultraviolette, sichtbare und nahinfrarote Bereiche mithilfe von Fotozellen verschiedene Typen»
Photomultiplier und Fotowiderstände (Infrarotbereich). Photoelektrische Methoden werden manchmal als direkte Analysemethoden bezeichnet.
das heißt, Analyse ohne die Hilfe einer Fotoplatte.
4.Thermoelektrisch für den Infrarotbereich, auch fern, unter Verwendung von Thermoelementen, Bolometern und anderen Arten von thermoelektrischen Empfängern.
Die oben diskutierten Arten der Spektralanalyse weisen eine Reihe gemeinsamer Merkmale auf, da sie alle die Spektren von Atomen oder Molekülen als Analysemittel verwenden. Tatsächlich ist es in allen Fällen notwendig, zunächst das Spektrum der Probe zu erhalten und dieses Spektrum dann mithilfe von Spektrentabellen oder -atlanten zu entschlüsseln, d Strukturelemente Moleküle. Hier liegt die Grenze der qualitativen Analyse. Um einen quantitativen Konzentrationswert zu erhalten, ist es außerdem erforderlich, die Intensität dieser charakteristischen Linien oder Bänder zu bestimmen (Photometer des Spektrums) und dann den Konzentrationswert anhand der Beziehung zwischen der Konzentration und der Intensität der Linien oder Bänder zu bestimmen. Diese Abhängigkeit „sollte entweder auf der Grundlage theoretischer Überlegungen oder empirisch in Form einer analytischen Kurve ermittelt werden, die auf der Grundlage einer Reihe von Proben mit bestimmten Konzentrationen (Standards) erstellt wurde.“

1.2.2 ELEMENTALE UND ISOTOPISCHE SPEKTRALANALYSE

Die Elementar- und Isotopenspektralanalyse umfasst die qualitative und quantitative Bestimmung der Element- und Isotopenzusammensetzung einer Probe anhand von Emissionsspektren vom nahen Infrarot bis zum Röntgenbereich. Manchmal werden sie für diese Zwecke verwendet Molekülspektren Emission oder Absorption. Ein Beispiel ist die Bestimmung von Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff in Gasgemischen, die anhand der Molekülspektren zweiatomiger Moleküle Hr, N2, O2 durchgeführt werden kann. Ebenso die Isotopenanalyse von Mittelteilelementen Periodensystem Es ist vorteilhaft, mit Elektronenschwingungs-Molekülspektren zu arbeiten, bei denen die Isotopenverschiebung ausreichend groß und für die Beobachtung mit herkömmlichen Spektralinstrumenten mit großer Streuung zugänglich ist.
Bei der Lösung des Problems der Bestimmung der Kohlenmonoxidkonzentration müssen jedoch Methoden der molekularen Spektralanalyse berücksichtigt werden.

1.2.3 MOLEKULARE SPEKTRALANALYSE

Bei der molekularen Spektralanalyse geht es um die qualitative und quantitative Bestimmung der molekularen Zusammensetzung einer Probe anhand molekularer Absorptions- und Emissionsspektren. Diese Methoden werden zur industriellen Kontrolle der molekularen Zusammensetzung von Proben eingesetzt, beispielsweise bei der Herstellung von Vitaminen, Farbstoffen, Benzin usw.
Molekülspektren sind sehr komplex, da verschiedene elektronische Übergänge in Molekülen (elektronische Spektren), Schwingungsübergänge mit Änderungen der Schwingungszustände der Atomkerne, aus denen das Molekül besteht (Schwingungsspektrum), und Änderungen der Rotationszustände des Moleküls ( Rotationsspektrum) sind möglich. Diese Spektren liegen in unterschiedlichen Wellenlängen-(Frequenz-)Bereichen. Elektronische Spektren, kompliziert durch eine Schwingungs- und Rotationsstruktur, stellen ein System charakteristischer Bänder dar (manchmal wird ein solches Spektrum auch als Linienstreifenspektrum bezeichnet), das vom Vakuum-Ultraviolett (~1000 A) bis zum nahen Infrarotbereich (~12000 A) reicht ). Schwingungsspektren, begleitet von einer Rotationsstruktur, liegen im nahen Infrarotbereich des Spektrums von 1,2 bis 40 (von 8-103 bis 250). cm~1). Rotationsspektren liegen im weiter entfernten Infrarotbereich des Spektrums und ihre Messung mit optischen (thermoelektrischen) Mitteln ist bis zu ~1,5 möglich mm(also von 250 auf 6 cm~1). Rotationsspektren erstrecken sich bis in den radiospektroskopisch untersuchten Mikrowellenbereich.
Entsprechend den technischen Mitteln der molekularen Spektralanalyse werden folgende Arten der molekularen Analyse unterschieden.

Absorptionsanalyse anhand von Absorptionsspektren
Bei dieser Art der Analyse wird eine Probe in gasförmigem, flüssigem oder festem Zustand entnommen und zwischen eine Quelle gegeben Kontinuierliches Spektrum(Glühlampe für den sichtbaren Bereich des Spektrums, Wasserstoff- oder Kryptonlampe für den ultravioletten Bereich, Hot Pin für den Infrarotbereich) und ein Spektralgerät. Das Absorptionsspektrum wird mit einem Spektrometer (Spektrographen) oder Spektrophotometer analysiert.
Entsprechend den Methoden zur Aufnahme des Absorptionsspektrums und den verwendeten Spektralbereichen werden die folgenden Methoden der Absorptions-Molekülspektralanalyse unterschieden.
Visuell, wenn die Beobachtung des Absorptionsspektrums bei der qualitativen Analyse im sichtbaren Bereich mit einfachsten Direktsichtspektroskopen mit direkt vor dem Spalt platzierten Reagenzgläsern oder kleinen Küvetten für Lösungen erfolgt. Als Lichtquelle, die die Testsubstanz durchdringt, wird eine Glühlampe oder Tageslicht verwendet. Bei der quantitativen Analyse wird eine genaue Messung der Dämpfung von Lichtstrahlen einer bestimmten Wellenlänge beim Durchgang durch die Testsubstanz durchgeführt. Dieses Problem wird durch visuelle Spektrophotometrie unter Verwendung von Spektrophotometern mit Polarisation oder anderen Arten von photometrischen Geräten gelöst. Die Verwendung von Fluoreszenzschirmen, die unter dem Einfluss ultravioletter Strahlen, die die Prüfsubstanz durchdringen, leuchten, ermöglichen eine visuelle Analyse im ultravioletten Bereich. Zur visuellen Bestimmung der Leuchtintensität von sehr schwachen Quellen, insbesondere Leuchtschirmen, wird manchmal die Methode der visuellen Empfindungsschwelle verwendet. Durch Bewegen eines neutralen optischen Keils, der vor dem Auge des Betrachters platziert wird, wird die Helligkeit des Leuchtens bis zur Empfindlichkeitsschwelle des Auges abgeschwächt, d. h. das Leuchten verschwindet. Zwei Positionen des Keils sind fixiert: Die erste entspricht der Abschwächung der Fluoreszenzhelligkeit des Bildschirms bis zum Schwellenwert, wenn ein ungeschwächter Lichtstrahl darauf fällt, die zweite – wenn derselbe Strahl, aber beim Durchgang durch die Substanzschicht abgeschwächt wird gerade untersucht, fällt auf den Bildschirm. Die Differenz zwischen diesen Keilpositionen, multipliziert mit der Keilkonstante, ergibt den Wert der optischen Dichte der Arzneimittelschicht.
Fotografische Spektrophotometrie relativ selten genutzt. Das Absorptionsspektrum einer Lösung oder eines Dampfes im sichtbaren oder ultravioletten Bereich wird mit einem Spektrographen fotografiert. Für die Photometrie werden Spektren entweder mit speziellen Geräten (Lichtstrahlteilern) gewonnen, die auf einer Platte untereinander die Quellspektren bei vorgegebener Schwächung und Absorption der Probe liefern, oder man nutzt die Technik der fotografischen Photometrie.
Photoelektrische Spektrophotometrie ist derzeit die wichtigste Art der Absorptionsmolekularanalyse, die in Forschungs- und Industrielabors eingesetzt wird. Bei einem Spektralgerät (Monochromator) befindet sich hinter dem Austrittsspalt ein fotoelektrischer Strahlungsdetektor. Vor dem Eintrittsspalt wird eine Küvette mit einer Probe platziert. Licht von einer Quelle mit kontinuierlichem Spektrum ohne Probe und Licht, das die Probe passiert hat, treffen nacheinander auf den Empfänger. Der Photostrom steigt und mit Messinstrument Sie können die optischen Dichtewerte der Probe messen (nicht aufzeichnende Spektralphotometer). Aufzeichnende Spektralphotometer zeichnen automatisch eine Transmissions- oder Absorptionskurve auf. Es ist zu beachten, dass für viele Zwecke der technischen Analyse bei der Massenkontrolle von Proben des gleichen Typs vereinfachte Spektralphotometer verwendet werden können, bei denen der Spektralbereich durch Interferenzfilter oder einen fokalen Monochromator isoliert wird.
Mit der photoelektrischen Spektrophotometrie können Sie das Problem der kontinuierlichen automatischen Steuerung der Produktion von Farbstoffen, Vitaminen und anderen Materialien während des technologischen Prozesses lösen. Zu diesem Zweck wird in einem vorgewählten Stadium des technologischen Prozesses eine Spektrophotometrie mit fotoelektrischen Spektrophotometern durchgeführt, deren Messwerte zur Anpassung des technologischen Prozesses an die Anlagenleitstelle übermittelt werden können. Spektralfotometer-Messwerte können mit dem System verknüpft werden automatische Kontrolle Verfahren.
Spektrophotometrie im Infrarotbereich des Spektrums(von 1 bis 40-50 Mikrometer). Die Analyse erfolgt anhand von Schwingungs-Rotations-Spektren, die bei der Lösung vieler Probleme charakteristischer sind als elektronische Spektren im sichtbaren und ultravioletten Bereich, was die weit verbreitete Verwendung dieser Art der molekularen Spektralanalyse bestimmt. Die technischen Mittel sind Aufnahmespektrometer und Spektralphotometer. Zur Durchführung der Analyse ist es notwendig, das Spektrum der zu bestimmenden Verbindung zu kennen; Hier liegt jedoch die besondere Schwierigkeit der Analyse im Infrarotbereich, da für molekulare Verbindungen, deren Anzahl immens ist, die Erstellung umfassender Spektraltabellen praktisch unmöglich ist. Zur Weiterentwicklung der molekularen Spektralanalyse wird derzeit regelmäßig daran gearbeitet, Daten zu Infrarotabsorptionsspektren verschiedener chemischer Verbindungen zu sammeln und zu systematisieren.
Emissionsmolekulare Spektralanalyse
Zwei Arten der Analyse werden häufig verwendet: Raman und Lumineszenz.
Analyse durch Raman-Spektren(Kombination). Der zu untersuchende Stoff in flüssiger oder gelöster Form wird in eine spezielle Glasküvette gegeben und mit Licht starker Quecksilberlampen beleuchtet. Das in der Substanz entstehende Raman-Glühen wird mit einem Spektralinstrument mit hoher Apertur analysiert.
Das Raman-Spektrum wird normalerweise anhand der blauen (4358A), manchmal grünen (5461A) und selten anhand der gelben Linien (5770/5790A) des Quecksilberspektrums beobachtet. Die grünen und gelben Linien werden hauptsächlich zur Analyse von Proben verwendet, die das Licht stark streuen (trübe Flüssigkeiten, feste Pulver).
Die Position der Raman-Linien relativ zur anregenden Quecksilberlinie, ihre Intensität, Halbwertsbreite und der Grad der Polarisation charakterisieren das Raman-Spektrum eines bestimmten Moleküls. Mit solchen Spektren ist es möglich, qualitative und quantitative Analysen molekulare Verbindungen, wenn deren Raman-Spektren aus zuvor durchgeführten Experimenten bekannt sind. Aufgrund der großen Anzahl chemischer Verbindungen können Tabellen zu deren Spektren keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben und müssen kontinuierlich aktualisiert werden.
Aufgrund der geringen Intensität der Raman-Linien werden zu ihrer Gewinnung Spektrographen mit hoher Apertur eingesetzt. Allerdings sind auch in diesem Fall Langzeitbelichtungen erforderlich, um ausreichend klare Spektren zu erhalten. In jüngster Zeit wurde mit der Entwicklung photoelektrischer Techniken zur Aufnahme von Raman-Spektren begonnen. Dabei wird die Strahlung von einem hochaperturigen Monochromator empfangen, hinter dessen Ausgangsspalt sich ein Photomultiplier befindet; Der Photostrom nach der Verstärkung wird von einem Rekorder aufgezeichnet. Während der Aufnahme bewegt sich das Spektrum durch die Rotation des Dispergiersystems entlang des Ausgangsspalts des Monochromators (Spektrum-Scanning-Prinzip). Die Kombination von hochaperturigen Monochromatoren mit hochempfindlichen Photomultipliern ermöglicht die schnelle Aufnahme schwacher Raman-Spektren anstelle einer mehrstündigen Belichtung beim Fotografieren.
Lumineszenzanalyse basiert auf der Untersuchung der Fluoreszenz- und Phosphoreszenzemission von hauptsächlich festen und flüssigen Proben, wenn sie ultravioletter oder korpuskularer Strahlung ausgesetzt werden. Besonders verbreitet ist die Analyse, die auf der Beobachtung der Photofluoreszenz basiert. In diesem Fall wird die Probe durch schwarzes UV-Glas mit ultravioletter Strahlung einer Quecksilberlampe beleuchtet; Dieser Filter lässt die unsichtbare Strahlung der hellen 3650-A-Quecksilberlinie und anderer nahegelegener Linien durch und eliminiert das sichtbare Licht der Lampe. Unter dem Einfluss ultravioletter Strahlen beginnen die Probe oder ihre einzelnen Teile (bei heterogenen Proben beispielsweise Mineralien, Pulver) mit einem charakteristischen Licht zu leuchten. Die Farbe dieses Leuchtens und seine Intensität sind analytische Merkmale, die qualitative und quantitative Analysen ermöglichen. In einigen Fällen wird die spektrale Zerlegung der Fluoreszenzemission verwendet; Auf der Grundlage der Untersuchung der spektralen Zusammensetzung der Strahlung werden Aussagen über die Zusammensetzung und Konzentration getroffen.
Das Phänomen der Fluoreszenz zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus, die seine analytischen Fähigkeiten bestimmen. Unter dem Einfluss kurzwelliger Strahlung werden die elektronischen Hüllen der in der Probensubstanz vorhandenen Leuchtmoleküle angeregt; Daher ist es notwendig, dass die anregende Strahlung innerhalb der Absorptionsbande der untersuchten Moleküle liegt. Angeregte Moleküle beginnen Licht zu emittieren, dessen Maximum des Spektrums gegenüber dem Maximum des Absorptionsspektrums in Richtung langer Wellen verschoben ist; Dadurch sind die Wellenlängen des Lumineszenzspektrums in der Regel größer als die Wellenlänge des anregenden Lichts. Allerdings kann sich ein Teil der von den Molekülen des Stoffes absorbierten Energie unter bestimmten Voraussetzungen auf andere Freiheitsgrade der Moleküle verteilen vor der Emission, und es kommt zur Fluoreszenzlöschung. Sie hängt sowohl mit den Eigenschaften des Leuchtstoffs selbst als auch mit den Eigenschaften des Lösungsmittels zusammen und entwickelt sich besonders stark bei hohen Konzentrationen des Leuchtstoffs in Lösung (Konzentrationslöschung).
Die auf Fluoreszenzspektren basierende Lumineszenzanalyse weist eine äußerst hohe Empfindlichkeit auf: Beispielsweise werden Uranatome in vernachlässigbaren Konzentrationen von bis zu 10-8-10-6 % nachgewiesen, während die Emissionselementaranalyse nur 10-4-10-3 % nachweist. Eine so hohe Empfindlichkeit der Lumineszenzanalyse führt jedoch zu gravierenden Schwierigkeiten: Eine geringe Beimischung eines Fremdstoffes, der ebenfalls zur Lumineszenz fähig ist, reicht aus, um dessen Lumineszenz im beobachteten Spektrum nachzuweisen und die Ergebnisse der visuellen Bestimmung bei der Analyse zu verfälschen ohne spektrale Zerlegung durchgeführt.
Die Lumineszenzanalyse wird häufig in der Lebensmittelindustrie (Überwachung der Frische von Produkten), in der Landwirtschaft (Überwachung der Samenkeimung), in der Biologie und Medizin (Unterscheidung von gesundem von krankem Gewebe, Nachweis von Bakterien) sowie in Fabriklaboren (zum Nachweis von Defekten und Rissen) eingesetzt in Metallteilen). ) usw. Der große Vorteil dieser Analysemethode ist ihre Einfachheit, Geschwindigkeit und Einfachheit der verwendeten Ausrüstung, insbesondere im Fall der qualitativen Analyse.
Es ist zu beachten, dass Emissionsmolekularspektren erfolgreich zum Nachweis von Zwischenverbindungen (Radikalen) in Flammen, Gasentladungsplasmen und auf hohe Temperaturen erhitzten Gasen eingesetzt werden. Zweiatomige Moleküle wie OH, CN, CH, N0, C2 usw. emittieren sehr charakteristische elektronische Schwingungsspektren im sichtbaren und ultravioletten Bereich, die äußerst einfach zu interpretieren und zu quantifizieren sind. Die Emissionsspektren von Radikalen werden für deren qualitativen Nachweis und näherungsweise quantitative Bewertung genutzt. Zu diesem Zweck können durchaus auch die Absorptionsspektren von Radikalen im ultravioletten und sichtbaren Bereich des Spektrums sowie Infrarot-Absorptionsspektren (Schwingungsspektren) und Rotationsabsorptionsspektren im Mikrowellenbereich des Spektrums verwendet werden.