СПЕКТРАЛЬНЫЕ (ОПТИЧЕСКИЕ) МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Сочетание высокой чувствительности, точности и быстродействия объясняет широкое распространение спектральных методов в биологии, экологии, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях знаний. Оптические методы позволяют получить сведения о строении и свойствах молекул и веществ в целом и применяются для изучения состояния биообъектов и характера изменений этого состояния в биологических системах (процессы полимеризации, деградации, связывание с другими молекулами, образование и распад ферментсубстратных комплексов, первичные фотофизические, а также фото- и радиационно-химическиепроцессы с участием неустойчивых лабильных продуктов радикальной природы и т.д.).
Спектральные методы анализа основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Можно представить себе два случая такого взаимодействия. В первом из них излучение направляется на вещество и частично им поглощается. Метод анализа, в котором используются спектры поглощения, называется абсорбционной спектроскопией.
Другая область спектрального анализа рассматривает собственное излучение вещества, приведенного в возбужденное состояние каким-либопосторонним источником энергии. В большинстве случаев вещество нагревают в пламени газовой горелки, вольтовой дуги, в плазме электрического искрового разряда. В люминесцентных методах и при изучении комбинационного светорассеяния анализируемое вещество облучают потоком электромагнитных волн, энергия которых превращается во вторичное излучение. Перечисленные методы относятся к эмиссионной спектроскопии.
Основные характеристики электромагнитного излучения
Электромагнитное излучение имеет двойственную природу- оно обладает волновыми и корпускулярными свойствами. К волновым характеристикам относятся частота колебаний, длина волны и волновое число, к квантовым – энергия квантов.
Частота колебаний (ν) – число колебаний в единицу времени. Единицей частоты служит герц (Гц) илис-1 (1 Гц =1 колебание в секунду).
Длина волны (λ) есть расстояние между соседними максимумами. Длина волны в Международной системе единиц (СИ) измеряется в метрах (м) и его долях - сантиметрах (см), миллиметрах (мм), нанометрах (1 нм=10-9 м), ангстремах(1А0=10-10
м).
Еще одной весьма удобной величиной является волновое число (ν):_
ν =1/λ [см-1].
Волновое число показывает, сколько длин волн данного излучения укладывается в 1 см. По сложившейся традиции излучение в инфракрасной области определяют в волновых числах.
Спектр электромагнитных колебаний удобно разбить на несколько областей (табл. 1.1.). Деление спектра на области важно потому, что взаимодействие излучения с изучаемой системой в каждой из них протекает по различным механизмам и
| дает разную информацию. | Таблица 1.1. | |
| Спектр электромагнитных колебаний | ||
| Область спектра | Интервал длин волн (λ) | |
| Радиоволны | > 1 м | |
| Микроволны | 10-3–1м | |
| Инфракрасное излучение | 750–106 нм или 7,510–7 –10-3 м | |
| Видимый свет | 400–750нм или 410–7–7,510–7 м | |
| Ультрафиолетовое излучение | 10–400нм или10-8 – 410–7 м | |
| Рентгеновское излучение | 10-2–10нм или10-11–10-8 м | |
| γ-Излучение | 10-4–0,1нм или10-13–10-10 м |
Каждая область электромагнитных колебаний охватывает определенный интервал длин волн и характеризуется определенным уровнем энергии. Энергия электромагнитного излучения определяется соотношением Бора:
∆Е=hν=h c/λ=hc ν,
где h - постоянная Планка, равная 6,62 10-34 Дж с,
с - скорость света в вакууме (с=3 108 м/c).
Количество поглощаемой энергии может иметь только строго определенные значения, т.е. поглощается излучение только определенной частоты. Поглощение излучения, а следовательно, и энергии происходит в том случае, если квант излучения соответствует разности между двумя энергетическими уровнями облучаемого вещества.
В органической химии для исследования строения молекул чаще всего используются следующие области, различающиеся энергией квантов:
-наибольшая энергия требуется для возбуждения электронов; эта энергия соответствует излучению в ультрафиолетовой
ивидимой области (электронная спектроскопия);
-меньшие затраты энергии необходимы для изменения колебательных уровней молекулы, связанных с изменением длин связей и углов в инфракрасной области (колебательная спектроскопия);
-еще меньшая энергия необходима для переориентации спинов ядер, которая может вызываться квантами радиочастотного излучения (спектроскопия ядерного магнитного резонанса).
