Характеристики наиболее распространенных инструментальных методов анализа
Электроаналитические (электрохимические) методы. В их основе лежат электрохимические процессы в растворах. Эти методы давно известны и часто находят применение при повседневном контроле объектов окружающей среды, имеют преимущества с точки зрения низкой стоимости аппаратурного оснащения и необходимых расходов на эксплуатацию приборов. Преимущества электрохимических методов анализа:
- высокая чувствительность и селективность, быстрота отклика на изменение состава анализируемого объекта;
- большая номенклатура определяемых химических элементов и веществ;
- широкие интервалы измеряемых концентраций - от десятков % до n*10-8%;
- правильность и высокая воспроизводимость результатов (относительное стандартное отклонение результатов анализа в большинстве ЭМА менее 0.3);
- возможность определения наряду с валовым содержанием и физико-химических форм определяемых элементов;
- простота аппаратурного оформления, доступность аппаратуры и малая стоимость анализа;
- возможность использования в лабораторных, производственных и полевых условиях, легкость автоматизации и дистанционного управления.
Представляют область аналитической химии, весьма перспективную для усовершенствования аппаратурного оформления и автоматизации с помощью микропроцессоров.
Таблица 1 Классификация инструментальных методов анализа
| Название метода и его варианты | Определяемые компоненты | Предел обнаружения, мг/л (мг/кг) | Диапазон линейности |
| Электроаналитические методы | 105 | ||
| Вольтамперометрия (полярография) | ионы металлов и их связанные формы, газы | 10-5-10-3% | специф. но ср. чувств. |
| Потенциометрия | неорганические ионы | ||
| Ионометрия с ионоселективными электродами | неорганические ионы | ||
| Кулоно- и кондуктометрия | неорганич. соединения, газы | ||
| Спектральные методы анализа | |||
| Молекулярная спектрометрия | |||
| Спектрофотометрия в видимой области | неорганические и органические соединения | 10-7-10-5% | просты и шир.прим. |
| УФ-спектрофотометрия | неорг. и органические в-ва | 10-6 | 103 |
| ИК-спектрометрия КР-спетрометрия | идентификация орг. веществ | 10-3-10-2% | высокоспец |
| Атомная спектрометрия | |||
| Атомно-абсорбционная спектрометрия | химические элементы, главным образом металлы | 10-9-10-6 | 102 |
| Атомно-эмиссионная спектрометрия | более 70 химических элементов | 10-9-10-7 | 104 |
| Атомная флуоресцентная спектрометрия | органические вещества и металлоорганические комплексы | 10-9-10-6% | 103-106 |
| Радиоспектроскопические методы | |||
| Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) | Макрокомпоненты, свободные радикалы. | 10-3% | высокоспецифичны, |
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) | органические соединения, содержащие ядра Н, С, F, P | 10-3% | малочувствительны. |
| Масс-спектрометрические | |||
| Масс-спектрометрия | Следы элементов | 10-7-10-4% | 105 |
| Хроматографические методы | 103-107** | ||
| Газовая хроматография | газы, летучие органические соединения | Зависит от типа | высокоспецифичны,. |
| Газожидкостная хроматограф. | органические соединения | детектора | широко |
| Высокоэффективная жидкостная хроматография | нелетучие органические соединения | 10-7-10-4% | применяются. |
| Ядерно-физические методы | |||
| Нейтронно-активационный анализ | химические элементы, за исключением легких | 10-6-10-1 | требуют спец. |
| a-, b- и g- радиометрия | радионуклиды | условий | |
| a-, b- и g- спектрометрия | |||
| РФА | -«- |
* - сильно зависит от определяемого элемента; ** - зависит от используемого детектора
Недостатки - эффект взаимного влияния элементов, невозможность многоэлементного определения, влияние органических веществ.
Спектральные методы анализа основаны на использованиивзаимодействия атомов или молекул определяемых веществ с электромагнитным излучением широкого диапазона энергий. В порядке уменьшения энергии, это могут быть: гамма кванты, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое и видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволновое излучение.
Взаимодействие молекул или атомов вещества с различными формами энергии находит проявление в трех тесно связанных друг с другом спектроскопических явлениях - эмиссии, адсорбции и флуоресценции, которые, так или иначе, используются в аналитической технике. Аналитическим сигналом может быть испускание или поглощение излучения веществом, поэтому различают два вида спектрального анализа: абсорбционную спектроскопию (использует спектры поглощения) и эмиссионную спектроскопию (спектры испускания).
Спектральные методы анализа начали развиваться еще с середины XIX века и к настоящему времени приобрели всеобщее распространение в качественном и количественном анализе. Широкое применение спектральных методов анализа обусловлено их универсальностью, избирательностью, низкими пределами обнаружения, экспрессностью, возможностью автоматизации, как отдельных стадий, так и всего процесса анализа в целом. Современные спектральные приборы имеют автоматизированные системы ввода проб, встроенные микропроцессоры, которые управляют процессом проведения анализа, обрабатывают данные эксперимента и выдают их в удобной для потребителя форме.
К группе спектральных методов анализа относятся:
· молекулярно-абсорбционный спектральный анализ в видимой, УФ- и ИК- области;
· метод анализа по спектрам комбинационного рассеивания света;
· люминесцентный или флуоресцентный анализы;
· атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный и атомно-флуоресцентный анализы;
· радиоспектроскопические методы анализа (ЭПР- спектроскопия, ЯМР- спектроскопия).
Молекулярная спектрометрия. В зависимости от используемого энергетического диапазона оптические методы анализа делятся на спектроскопию в видимой и ультрафиолетовой областях спектра (диапазон длин волн от 200 до 700 нм, 1 нм = 10-9 м) и инфракрасную спектрометрию (от длин волн, при которых свет становится невидимым для глаз человека ~ 780 нм до области, где излучение уже обладает свойствами высокочастотных радиоволн ~ 0.5 мм). Классические фотометрия и спектрофотометрия все еще находят широкое применение (микропроцессорное управление, позволяющее полностью автоматизировать процесс измерения). Инфракрасная спектрометрия особенно полезна для идентификации и установления структуры органических соединений. КР-спетрометрия.
Атомная спектрометрия. В последние 20-30 лет выросла роль атомно-абсорбционной и атомно-эмиссионной спектрометрии. Методы требуют более сложной и дорогой аппаратуры, но позволяют выполнять массовые анализы и определять большинство химических элементов в матрицах самого разнообразного состава с крайне низкими пределами обнаружения (при абсолютном содержании ~ 10-14 г). Эти инструментальные методы анализа становятся обычными (рутинными) даже в небольших лабораториях контроля окружающей среды, особенно при контроле загрязнения атмосферы и природных вод, когда простейшая предварительная пробоподготовка или концентрирование (экстракция, упаривание проб воды или улавливание атмосферных загрязнений на фильтре) способствуют повышению чувствительности определений.
Атомно-флуоресцентная спектрометрия также позволяет определять различные элементы, но на основе переизлучения световой энергии, поглощенной свободными атомами.
ЭПР-спектрометрия. Методом ЭПР исследуются молекулы, атомы и радикалы в газовой среде, растворах и различных типах матриц. ЭПР - один из наиболее чувствительных методов обнаружения и идентификации свободных радикалов, установления их электронной конфигурации и геометрии. Метод применяется для исследования комплексных соединений, в частности соединений переходных и редкоземельных металлов.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса - метод измерения относительной энергии и состояния ядерных спинов молекулы в магнитном поле. Метод пригоден для изучения атомов, обладающих ядерным спином, и может применяться для количественного и качественного анализа, особенно при анализе соединений с неизвестной структурой. Чаще всего используется применительно к ядрам 1H, 19F и 31P.
Масс-спектрометрия. Этим методом анализируют вещество, преобразуя его в ионы и разделяя их затем в электрическом или магнитном поле.
Методы молекулярной спектрометрии (ИК-, УФ-, ЯМР-, ЭПР- и масс - спектрометрия) больше связаны с установлением структуры и исследованием механизма протекающих процессов, чем с простой идентификацией состава.
Хроматографические методы. По существу, хроматография является методом разделения смесей. После разделения смеси на компоненты осуществляется их идентификация и количественное определение. Для этого используются специальные устройства, называемые детектором и основанные на разных принципах измерения количества или концентрации вещества - от простейших термоэлементов или фотометров до масс-спектрометров высокого разрешения в комплексе с микропроцессором. Инструментальная хроматография является гибридным методом: хроматографическая колонка разделяет компоненты пробы на отдельные зоны, а детектор обычно измеряет концентрацию разделенных компонентов в фазе-носителе после их выхода из колонки.
Хроматографические методы, особенно газожидкостная и высокоэффективная жидкостная хроматография, часто оказываются незаменимыми при анализе сложных многокомпонентных смесей, а также для идентификации и количественного определения органических веществ со сходной структурой. Особенно быстро развиваются методы, сочетающие хроматографическое разделение смеси анализируемых веществ на компоненты и последующее их определение с помощью масс- или ИК-спектрометрии (хромато-масс- спектрометрия ГЖХ-МС, газожидкостная хроматография - фурье-спектроскопия в инфракрасной области ГЖХ-ИК-ФС)
Ядерно-физические методы занимают особое положение и применяются более ограниченно, так как требуют специально подготовленных лабораторий, соблюдения множества требований радиационной безопасности и пригодны лишь для определения радиоактивных изотопов химических элементов, обладающих специфическими ядерно-физическими характеристиками - явлением радиоактивного распада.
Ни один из перечисленных методов анализа не является универсальным с точки зрения пригодности для определения содержания всех интересующих компонентов и в любых объектах контроля.
При выборе конкретного метода анализа рассмотрению в первую очередь подлежат следующие вопросы:
* групповые характеристики и особенности физико-химических свойств загрязнителя, подлежащего контролю;
* - химический состав и физические свойства контролируемых объектов;
* - возможный диапазон изменения концентраций определяемого вещества в объектах контроля;
* - метрологические характеристики метода: чувствительность (предел обнаружения), точность и правильность (селективность, воспроизводимость результатов определений, отсутствие помех определению со стороны сопутствующих компонентов т.п.);
* - требования, предъявляемые к способу подготовки пробы вещества перед измерением;
* - время, затрачиваемое на единичное измерение;
* - общая продолжительность анализа с учетом пробоподготовки, измерения и выдачи результатов;
* - возможность автоматизации процесса пробоподготовки, измерения и выдачи результатов анализа.
Последние четыре пункта особенно важны при выборе метода, пригодного для выполнения массовых анализов.