медицина
Спектральний аналіз. Спектроскопія у видимій і ультрафіолетовій області.
Спектроскопія (спектральний аналіз) — область фізики, використовувана
для ідентифікації з’єднань, дослідження складу, будови і кількісного
аналізу індивідуальних речовин і багатокомпонентних систем.
У органічній хімії або біохімії практично жоден експеримент не
обходиться без застосування спектроскопічних методів. Вони широко
використовуються для ідентифікації продуктів хімічних і ферментативних
реакцій або складніших біологічних процесів виявлення проміжних з’єднань
(і тим самим для отримання цінної інформації про механізми перетворень),
дослідження кінетики і стереохімії хімічних реакцій, просторової
структури і динаміки молекул і надмолекулярних систем, з’ясування будови
знов виділених природних з’єднань і т.д.
Спектроскопія в оптичній області спектру (ультрафіолетова, видима,
інфрачервона) використовується перш за все в наступних випадках: 1) для
визначення концентрації; 2) ідентифікації речовини; 3) визначення числа
частинок в розчині (наприклад за допомогою ізобестичних крапок).
Фізичні основи методу.
З курсу загальної фізики відомо, що будь-яке електромагнітне
випромінювання пов’язане з процесами, що відбуваються в атомах або
молекулах. Здатність випромінювати і поглинати електромагнітне
випромінювання є загальною властивістю всіх атомів і молекул.
Випромінювання (поглинання) вельми виборче, тобто випромінювання тільки
певної довжини хвилі даною молекулою інтенсивно поглинається, тоді як
випромінювання інших довжин хвиль поглинається слабо або зовсім не
поглинається. Крива залежності поглинання від довжини випромінюваної
хвилі (або частоти випромінювання) називається спектром поглинання
речовини, який є специфічною характеристикою даної речовини.
Залежно від агрегатного стану речовини спектри розділяються на три
групи: лінійчатий (для газів при низькому тиску, що складається з
одноатомних молекул); смугастий (для газів, пари, рідин, що складаються
з багатоатомних молекул) і суцільний (для розжарених твердих і рідких
тіл). Якщо поглинач—тверде тіло (стекло, пластмаси і інше), області
поглинання широкі і межа смуги поглинання, як правило, не різка. Для
молекулярних рідин, розчинів і пари області поглинання спостерігаються у
вигляді смуг, які несуть інформацію про будову досліджуваних речовин і
їх концентрації. Зміни спектру дозволяють зробити висновки про процеси,
що відбуваються в речовині.
При дослідженні лікарських органічних сполук важливе місце займає
молекулярний спектральний аналіз (МСА). У його основі лежить якісне і
кількісне порівняння спектру досліджуваного зразка із спектрами інших
речовин.
У спектрофотометричних методах застосовуються спектрофотометри — прлади,
що дозволяють проводити аналіз як забарвлених, так і безбарвних з’єднань
по виборчому поглинанню монохроматичного випромінювання у видимій,
ультрафіолетовій (УФ) і інфрачервоній (ГИК) областях спектру.
Для збудження електронних переходів молекул звичайно необхідне видиме
або ультрафіолетове випромінювання. Низькоенергетичне інфрачервоне
випромінювання порушує коливальні переходи в атомній підсистемі молекул,
тоді як чисті обертальні переходи при обертанні молекули як цілого
спостерігаються в ще менш енергетичних мікрохвильових і радіочастотних
діапазонах.
Таким чином, природа смуг поглинання (молекулярних спектрів) в УФ і
видимої частинах спектру пов’язана з різними електронними переходами в
поглинаючих молекулах і іонах (електронна спектроскопія). У ГИК області
вона пов’язана з коливальними переходами в молекулах (коливальна
спектроскопія). У МСА розрізняють також спектри комбінаційного розсіяння
світла (КРС) і спектри флуоресценції.
Використовувана в даний час апаратура дозволяє вимірювати УФ-СПЕКТРИ в
області від 190 до 380 нм, видимі—від 380 до 780 нм, ІК-СПЕКТРИ — від
780 нм до 1 мм.
Кількісний МСА, пов’язаний з вимірюванням поглинання електромагнітного
випромінювання, заснований на законі Бугера—Ламберта—Бера, що встановлює
зв’язок між інтенсивностямі падающего/0 і прошедшего/ через речовину
світла залежно від товщини / поглинаючого шару і концентрації з
речовини.
Молярний показник поглинання е(е’ = 0,43е) є специфічною фізичною
константою для кожної речовини і може бути використаний в цілях його
ідентифікації. Його визначення дозволяє встановити вміст даної речовини
в розчинах невідомої концентрації на основі вимірювання оптичної
густини.
Закон Бугера—Ламберта—Бера строго не виконується, якщо падаюче
випромінювання немонохроматічно (колориметричний і фотоколориметричний
аналіз). В даному випадку цей закон застосовний з великим або меншим
наближенням залежно від ступеня постійності оптичної густини в
досліджуваному інтервалі довжин хвиль. Відхилення від закону
Бугера—Ламберта—Бера спостерігаються також в наступних випадках: 1) якщо
різні форми поглинаючих частинок знаходяться в рівновазі, як, наприклад,
у разі таутометрії або кислотно-основної рівноваги; 2) якщо системи
мають явно виражену тенденцію до асоціації молекул розчиненої речовини
між собою, або між молекулами розчиненої речовини і розчинника.
Взаємодія розчиненої речовини з розчинником широко поширена, і його
сліди можна спостерігати в кожному спектрі.
Отримання електронних спектрів і принципи їх аналізу.
Основними частинами звичного спектрофотометра є: джерело світла,
монохроматор і детектор минулого через речовину випромінювання. Робочий
діапазон більшості спектрофотометрів складає 190.. .750 нм. Джерелом
випромінювання з Х- 190.. .450 нм служить дейтерієва розрядна лампа,
випромінювання якої безперервне в цьому діапазоні, а решту частини
діапазону забезпечує лампа розжарювання. Для розкладання джерела
випромінювання в спектр використовується диспергуючий елемент. Із
спектру, що виходить, за допомогою щілини вибирається вузький інтервал
довжин хвиль. Таке випромінювання можна розглядати як монохроматичне.
Монохроматичне світло розщеплюють на два промені, один з яких проходить
через осередок (кювету), що містить розчин речовини, що вивчається, а
інший — через такий же осередок, що має тільки розчинник. Потім минуле
через обидва осередки проміння автоматично порівнюється, і результати
порівняння реєструються при безперервній зміні довжини хвилі. У сучасних
приладах інтенсивності випромінювання / і /0, що пройшли через розчин і
розчинник, вимірюються фотоелектрично. Крива, виражаюча залежність
інтенсивності поглинання від довжини хвилі або частоти, називається
спектральною кривою поглинання, або спектром поглинання. Вимірювальна
шкала спектрофотометра проградуйована у відсотках пропускання Т.
а шкала довжин хвиль або хвильових чисел (до — \1Х)— в нанометрах або в
см 1 відповідно.
Звичайно електронний спектр зображається у вигляді графіка залежності D
від X. Якщо відома молярна концентрація, то по такому спектру нескладно
розрахувати молярний коефіцієнт поглинання е. Часто після цього будують
графік залежності е або lg e від довжини хвилі X. Графік логарифмічної
залежності представляє особливий інтерес в тих випадках, коли в одному
спектрі є смуги різної інтенсивності.
Електронні спектри поглинання звичайно складаються з декількох широких
смуг і не мають вузьких піків, оскільки будь-який електронний перехід
супроводжується тими або іншими змінами в обертальних або коливальних
станах молекул. Найважливішою характеристикою смуг є довжина хвилі, при
якій спостерігається максимум поглинання. Іноді, якщо сусідні смуги
частково перекриваються, указується мінімум поглинання.
Розглянемо використовування електронних спектрів поглинання для
отримання даних про структуру молекул. Характер електронних спектрів
молекул органічних речовин обумовлений трьома основними структурними
елементами: зв’язуючими а- і л-орбіталямі, розпушуючими а- і
л-орбіталямі (збуджений стан) і незв’язуючими орбіталямі неподілених пар
електронів гетероатомів, або і-орбіталямі, які за визначенням не мають
відповідного збудженого стану (мал. 18.1.1). На малюнку схематично
представлені відносні енергії цих електронних станів з можливими
енергетичними переходами при збудженні молекули квантами випромінювання
в УФ-ДІАПАЗОНЕ. З’єднання, що містять тільки одинарні зв’язки,
поглинають у області довжин хвиль менше 190 нм; прості з’єднання з
кратними зв’язками — нижче 240 нм; прості з’єднання з вільними
електронними парами—нижче 260 нм. Поглинання кратних зв’язків,
неподілених пар і різних їх комбінацій визначають всі електронні спектри
органічних сполук в ближній УФ-ОБЛАСТІ.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
