ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Бийский технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова»
Н.В. Степанова, Т.В. Сеношенко,
Н.А. Крамаренко, З.В. Татарникова
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ
Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ
по курсу «Аналитическая химия и физико-химические методы
анализа» для студентов специальностей 240701, 240702, 240901, 260204 и для специальности 080401 по курсу «Физико-химические
методы анализа» всех форм обучения
Бийск
Издательство Алтайского государственного технического университета
им. И.И. Ползунова
2010
УДК 543. 06(075.8)
Рецензент: к.т.н. К.С. Барабошкин ФНПЦ «Алтай»
Степанова, Н.В.
Люминесцентный анализ: методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсу «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальностей 240701, 240702, 240901, 260204 и для специальности 080401 по курсу «Физико-химические методы анализа» всех форм обучения / Н.В. Степанова, Т.В. Сеношенко, Н.А. Крамаренко, З.В. Татарникова; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 20 с.
Методические рекомендации составлены для студентов специальностей «Химическая технология органических соединений азота» (240701), «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив (240702), «Биотехнология» (240901), «Технология бродильных производств и виноделие» (260204), «Товароведение и экспертиза товаров» (080401) в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (Москва, 2000 г.).
Настоящие методические рекомендации содержат основные сведения о люминесцентном методе анализа различных веществ.
Приводятся краткие теоретические положения люминесцентного метода анализа и рекомендации к выполнению двух лабораторных работ с помощью флуориметрического метода анализа.
Методические рекомендации содержат вопросы и задачи для контроля знаний студентов по рассматриваемой теме.
УДК 543. 06(075.8)
Рассмотрены и одобрены на заседании
кафедры общей химии и экспертизы товаров.
Протокол № 70-05/08 от 02.09.2008 г.
© Н.В. Степанова, Т.В. Сеношенко,
Н.А. Крамаренко, З.В. Татарникова, 2010
© БТИ АлтГТУ, 2010
СОДЕРЖАНИЕ
1 Теоретическая часть……………………………………………………..4
1.1 Теоретические основы люминесцентного анализа……………4
1.2 Методы определения содержания веществ
в люминесцентном анализе………………………………………………..7
1.3 Флуориметрия……………………………………………………9
1.4 Аппаратура для люминесцентного анализа…………………..11
2 Экспериментальная часть……………………………………………...12
2.1 Определение содержания рибофлавина (витамин В2) ………12
2.2 Флуориметрическое определение содержания
родамина 6Ж……………………………………………………………....16
3 Общие указания к лабораторным работам……………………………17
4 Контрольные вопросы для допуска к выполнению
лабораторных работ………………………………………………………18
5 Вопросы для защиты работ…………………………………………….18
Литература………………………………………………………………...19
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Теоретические основы люминесцентного анализа
Способность атомов и молекул поглощать энергию, поступающую к ним извне, вызывает новое энергетическое состояние вещества, которое называется возбужденным. Избыточная энергия атомов или молекул, полученная при возбуждении, может быть израсходована на отрыв электронов - ионизацию вещества; на какие-либо фотохимические реакции; на нагрев вещества, т. е. переход избыточной энергии в тепловую. Кроме того, возбужденные атомы или молекулы способны отдавать всю избыточную энергию или часть ее в виде света. Как правило, большинство твердых веществ при сильном нагревании светятся. Такое свечение раскаленных тел называют температурным или тепловым излучением. Чем больше энергии при данной температуре поглощает тело, тем оно больше ее излучает.
У некоторых веществ наблюдается свечение и без нагревания при комнатной температуре, которое называют холодным свечением или люминесценцией. В отличие от температурного люминесцентное излучение является неравновесным и продолжается относительно долгое время после прекращения действия внешнего возбуждающего фактора.
Таким образом, люминесценция – свечение вещества после поглощения им энергии возбуждения:
M∙ ↔ M + hν.
Переходя в более низкое энергетическое состояние, возбужденные частицы испускают квант света – люминесцируют. Длительность послесвечения для различных люминесцирующих веществ различна: от миллиардных долей секунды (для отдельных атомов и молекул) до часов и даже нескольких суток (для кристаллофосфоров).
Явления люминесценции многообразны по свойствам и происхождению. Различные виды люминесценции определяются характером энергии возбуждения, продолжительностью свечения и химическими свойствами люминесцирующих веществ. В зависимости от вида люминесценции рассматривают следующие разделы люминесцентного анализа: 1) фотолюминесценция, или флуоресценция, основанная на свечении вещества при поглощении лучистой, или световой энергии;
2) катодолюминесценция, вызванная бомбардировкой быстролетящих электронов; 3) хемилюминесценция - свечение веществ под действием
некоторых химических процессов; 4) триболюминесценция - люминесценция трения и т. п.
Все люминесцирующие вещества имеют общее название люминофоры.
Неорганические люминофоры называют чаще всего просто люминофорами, а органические - органолюминофорами. Органические и неорганические люминофоры существенно отличаются по природе свечения. У первых процессы поглощения возбуждающего света и излучения протекают в пределах каждой способной люминесцировать молекулы. У вторых, чаще всего активированных и имеющих кристаллическую структуру, в акте люминесценции участвуют не отдельные атомы и молекулы, а кристаллы. Эти люминофоры называют кристаллофосфорами.
Известно два механизма возникновения свечения: 1) свечение отдельных центров, когда процесс возникновения люминесценции протекает лишь в одной частице (центр свечения), являющейся как поглотителем энергии, так и излучателем световых квантов, и 2) рекомбинационные процессы свечения, при которых, как правило, поглощение энергии осуществляется не теми частицами, которые излучают световые кванты.
По первому механизму осуществляется свечение большинства органических веществ в растворе, в том числе и внутрикомплексных соединений органических люминесцентных реагентов с катионами. Свечение кристаллов с решетками молекулярного типа, например, нафталина, антрацена и их производных, определяется рекомбинационными процессами. Такое свечение наблюдается и у сульфида цинка, сульфида кадмия, оксида кальция и т. п., кристаллические решетки которых обладают некоторыми дефектами, вызванными внедрением примесей (или активаторов) - ионов тяжелых металлов. В этом случае в возникновении флуоресценции принимает участие весь кристалл в целом, такой вид свечения называют свечением кристаллофосфоров.
В качественном люминесцентном анализе по цвету свечения и особенно по спектрам люминесценции можно установить присутствие того или иного вещества в пробе. При сопоставлении спектров люминесценции пробы и индивидуальных веществ, которые могут входить в состав пробы, основное внимание обращают на положение максимумов и ширину полос, наличие и характер их тонкой структуры. Установить присутствие вещества в пробе по цвету ее свечения или спектру люминесценции - задача непростая. Сложность этой задачи обусловлена тем, что многие вещества обладают одинаковым (с точки зрения восприятия человеческим глазом) свечением, а спектры их люминесценции состоят из широких, размытых полос.
В этом случае нельзя рассчитывать на успешную идентификацию веществ. Лишь немногие вещества обладают достаточно четкими и характерными спектрами люминесценции, позволяющими надежно установить их присутствие в пробе. К ним относятся соединения урана (VI), лантаноидов, бензопирены, порфирины и др.
При наличии в пробе нескольких люминофоров обычно проводят процедуру их разделения, используя чаще всего методы экстракции и хроматографии. Селективно возбуждая спектры люминесценции отдельных компонентов, в некоторых случаях удается провести качественный анализ многокомпонентных проб, минуя процедуру предварительного разделения компонентов.
На основании изучения спектров люминесценции можно сделать некоторые выводы относительно химической структуры исследуемого вещества, а также проследить за изменением, претерпеваемым веществом во времени. Для обнаружения веществ, не обладающих собственной люминесценцией, используют реакции, приводящие к образованию люминофоров, - так называемые люминесцентные реакции. Иногда наличие искомого вещества в пробе удается установить по частичному или полному тушению люминесценции вспомогательного люминофора, введенного в пробу.
Количественный люминесцентный анализ базируется на зависимости между интенсивностью люминесценции If (отн. ед.) и содержанием люминофора в пробе (с):
If = k .c, (1. 1)
где If - интенсивность люминесценции;