Аппаратура и техника молекулярного люминесцентного анализа

Под спектральным прибором понимают устройство, обеспечивающее регистрацию спектра, а также измерение частот (длин волн) и интенсивностей его отдельных монохроматических составляющих.

Конструктивно спектральные приборы различаются в зависимости от вида регистрируемого спектра, используемой области ЭМИ, физического состояния пробы.

В спектроскопических методах ЭМИ, формирующее аналитический сигнал, может исходить либо от самой пробы, либо от специального источника излучения. 

Анализаторы частоты

Анализатор частоты – это узел спектрального прибора предназначенный для разложения потока электромагнитного излучения по частотам (длинам волн) или выделение из него узкого участка с определенной частотой.

С точки зрения принципа действия анализаторы частоты подразделяют на оптические фильтры (светофильтры), анализаторы дисперсионного типа (призмы и дифракционные решетки) и анализаторы модуляционного типа (интерферометры).

Источники внешнего излучения

Источники внешнего излучения используют только в приборах для абсорбционной и люминесцентной спектроскопии (а также в аналогичной по конструкции приборах для спектроскопии КР и магнитного резонанса).

В зависимости от используемого диапазона электромагнитного излучения его источниками могут служить лампы различной конструкции, лазеры, рентгеновские трубки, радиочастотные генераторы и другие устройства.

Требования предъявляемые к источникам внешнего излучения являются достаточно высокая интенсивность и во многих случаях – та или иная степень монохроматичности. Необходимая степень монохроматичности определяется способом регистрации спектра и структурой регистрируемого спектра образца.

В спектроскопии используют, в основном, источники линейчатого (лампы с полым катодом, лазеры) или непрерывного спектра (лампы накаливания, разрядные лампы со сплошным спектром)

Отделение для пробы

Конструкция отделения для пробы в разных спектральных приборах определяются агрегатным состоянием пробы и условиями окружающей среды, необходимыми для реализации того или иного метода анализа.

При анализе твердых образцов отделение для пробы включает в себя держатель образца.

При анализе растворов отделение для пробы включает в себя держатель для кюветы или ампулы (кюветное отделение), в который помещается анализируемый раствор.

В приборах для оптической атомной спектроскопии отделение для пробы представляет собой источник высокой температуры, называемый в этом случае атомизатором.

Приемники (детекторы) излучения

Приемники излучения подразделяются на одноэлементные и многоэлементные.

Одноэлементный приемник содержит только один чувствительный элемент. Такой приемник располагают за выходной щелью монохроматора.

Многоэлементные приемники содержат большое число миниатюрных дискретный или непрерывно распределенных чувствительных элементов. Они позволяют за одно наблюдение зарегистрировать весь спектр. Такие приемники размещают непосредственно в фокальной плоскости камерного объектива вместо диафрагмы со щелями.

В современных спектральных приборах широко применяются многоэлементные приемники излучения с дискретно распределенными элементами. Они представляют собой массив из множества миниатюрных твердотельных чувствительных элементов одного из описанных типов (обычно фотодиодов или ПЗС), расположенных в ряд (линейные детекторы) или множество рядов (матричные детекторы). Примером могут служить матричные детекторы на основе ПЗС, применяемые в цифровых фотокамерах. В спектральных приборах размеры таких детекторов обычно составляют 1-1,5 см для линейных и порядка 1х1 см для матричных детекторов, а чувствительность элементов может достигать нескольких тысяч и 10⁴ – 10⁵ соответственно.

Техника анализа

Отличительной особенностью люминесцентного спектрометра является то, что в нем могут присутствовать два анализатора спектра: входной (первичный), выделяющий излучение определенного спектрального диапазона из потока света внешнего источника, и выходной (вторичный), выделяющий некоторый диапазон люминесцентного излучения образца. Изменяя длину волны входного анализатора, регистрируют спектры возбуждения люминесценции, а изменяя длину волны выходного анализатора — спектры люминесценции. Существуют и специальные методы анализа (синхронная и трехмерная люминесцентная спектроскопия), основанные на одновременном изменении длин волн как возбуждающего, так и люминесцентного излучения.

Отметим, что в отличие от спектрофотометрии в люминесцентном анализе степень монохроматичности внешнего источника излучения (в соответствии с правилом Коши и законом Вавилова) не влияет на форму зависимости аналитического сигнала от концентрации. Поэтому входной анализатор спектра может и отсутствовать.

К источникам излучения в люминесцентном анализе предъявляют два основных требования. Во-первых, они должны давать излучение того спектрального диапазона, который поглощается образцом. Во-вторых, интенсивность этого излучения должна быть достаточно велика, поскольку аналитический сигнал — интенсивность люминесцентного излучения I — прямо пропорционален интенсивности источника излучения I₀ (I = 2.303jI₀klC). Последнее обстоятельство составляет принципиальное отличие люминесцентных методов анализа от абсорбционных, для которых аналитический сигнал — оптическая плотность — представляет собой относительную величину и не зависит от интенсивности источника излучения.

Как правило, люминофоры поглощают излучение в УФ или коротковолновой (синей) области видимого света. Поэтому в качестве источников излучения обычно применяют источники (непрерывного или линейчатого спектра), дающие интенсивное излучение в этих областях: вольфрамовые лампы накаливания, дуговые ксеноновые лампы, ртутные газоразрядные лампы. Анализаторы спектра используют те же, что и в спектрофотометрии: светофильтры, дифракционные решетки или (редко) призмы.

Объектами люминесцентного анализа чаще всего служат растворы. Их помещают в кюветы, по конструкции аналогичные используемым в спектрофотометрии. Люминесцентное излучение обычно регистрируют под прямым углом к направлению излучения источника, чтобы исключить попадание последнего на детектор (фотоэлемент, фотодиод, фотоэлектронный усилитель).

С точки зрения общей методологии люминесцентный анализ весьма схож со спектрофотометрическим. Здесь также, как правило, проводят предварительную химическую реакцию определяемого вещества с целью селективного образования люминесцирующего (в спектрофотометрии — окрашенного) продукта. Очень часто применяемые для этого реагенты обладают собственной люминесценцией. Если спектры люминесценции реагента и продукта реакции различаются значительно, можно проводить определение без отделения избытка реагента. В противном случае такое отделение необходимо.

Существуют и косвенные методики люминесцентного анализа, основанные на тушении люминесценции определяемым веществом (аналоги косвенных спектрофотометрических методик).

Количественный люминесцентный анализ базируется на уравнении (I = 2.303jI₀klC). Линейность этой зависимости достигается лишь в том случае, если содержание определяемого компонента в образце не превышает некоторого порогового значения: 10⁻⁴ —10⁻³ моль/л (для жидких образцов) и 10⁻⁴ —10⁻³ % (для твердых образцов).

Проведение количественного люминесцентного анализа осложняется тем, что интенсивность люминесценции зависит не только от содержания определяемого вещества в образце, но и от других факторов: тушения люминесценции, эффекта внутреннего фильтра, pH среды и др. В связи с этим следует строго соблюдать рекомендации, касающиеся подготовки образцов, а также условия возбуждения и регистрации спектров люминесценции.

По сравнению со спектрофотометрией люминесцентный метод имеет существенные преимущества. Прежде всего, чувствительность люминесцентного метода гораздо выше фотометрического. Это связано с тем, что в люминесцентном методе определяют абсолютное значение потока излучения, испускаемого возбужденной молекулой, и, таким образом, отношение полезного сигнала к шуму очень велико. В противоположность фотометрическому методу (где измеряют отношение двух потоков излучения) в люминесцентном методе регистрируемая сила фототока, пропорциональная интенсивности люминесценции, может быть многократно усилена электронным усилителем. Последнее обстоятельство позволяет определять количества вещества на один-два порядка меньше, чем в фотометрическом методе анализа.

Другое преимущество заключается в относительно высокой селективности люминесцентного метода анализа, поскольку сравнительно небольшое число веществ способно люминесцировать.

Процедуру люминесцентного анализа многокомпонентных проб удается значительно упростить, применяя специальные методы — метод синхронной люминесценции, а также метод матричной изоляции, основанный на использовании квазилинейчатых спектров люминесценции (эффект Шпольского). Эти методы обладают высокой селективностью и позволяют избежать длительной и трудоемкой стадии разделения компонентов.

Люминесценцию применяют для обнаружения и определения следовых количеств веществ. С люминесцентным методом могут конкурировать лишь более селективные методы анализа — эмиссионная спектроскопия или масс-спектроскопия.