Краткие теоретические сведения

Согласно определению С.И. Вавилова, люминесценция (от лат. lumen – свет и – escent – суффикс, означающий слабое действие) – это излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени (~10^-10 с), значительно превышающего период световых колебаний. От излучения нагретых тел она отличается своей «равновесностью», поскольку люминесценция практически не использует тепловую энергию излучающей системы, поэтому ее часто называют холодным светом. Это определение отличает люминесцен­цию также от всех других видов неравновесного свечения — рас­сеяния и отражения света, комбинационного рассеяния и т. д.

Люминесценция возникает в результате электронного пере­хода при возвращении частиц из возбужденного состояния в нор­мальное. Таким образом, молекула преобразует поглощенную энергию в собственное излучение. Этим люминесценция также отличается от процессов несобственного излучения - рассеяния и отражения света. Люминесцирующие вещества могут нахо­диться в любом агрегатном состоянии.

В возбужденное состояние частицы люминесцирующего ве­щества могут переходить под действием света, и тогда люминес­ценцию называют фотолюминесценцией (флуоресценцией или фосфоресценцией), под действием рентгеновского излучения – рентгенолюминесценцией, в результате химической реакции – хемилюминесценцией и т. д.

Происхождение люминесцентного излучения поясняется схемой на рис. 4.1. Здесь схематически изображены основной и возбужденные (синглетный и триплетный)электронные уров­ни молекулы.

 

Рис. 4.1. Схема возникновения флуоресценции и фосфоресценции молекул: Е₁, Е₂ – энергии поглощенных фотонов; Фл – флуоресценция; Фс – фосфоресценция; КР – колебательная релаксация; ВК – внутренняя конверсия; ИКК – интеркомбинационная конверсия; ¯ – переходы с испусканием; – безызлучательные процессы; 0, 1, 2, 3, 4… – колебательные квантовые числа

 

Интенсивность люминесценции I_лпропорциональна числу излучаемых квантов N_л:

 

, (4.1)

где – коэффициент пропорциональности.

Число поглощенных квантов N_c пропорционально интенсив­ности поглощенного света:

 

, (4.2)

 

где I_o – интенсивность падающего света; I – интенсивность све­та, прошедшего через раствор; ' – коэффициент пропорци­ональности.

Величины I и I_o связаны уравнением закона Бугера – Ламберта – Бера:

 

. (4.3)

 

Сочетание уравнений (4.2) и (4.3) приводит к соотношению

 

. (4.4)

 

Подставляя уравнение (4.4) в (4.1), получаем

 

. (4.5)

 

Разложение в ряд дает

 

. (4.6)

 

При < 10^-2 вклад третьего и последующих членов разло­жения становится пренебрежимо малым. Ограничиваясь при этом условии двумя первыми членами (4.6) и подставляя резуль­тат разложения в уравнение (4.5), находим

 

(4.7)

 

или, объединяя постоянные величины,

 

. (4.8)

 

Линейная зависимость интенсивности люминесценции от концентрации будет соблюдаться при постоянстве таких факто­ров, как квантовый выход, интенсивность возбуждающего света и т. д. Также существенным является условие низкой концентра­ции люминесцирующего вещества.

На рис. 4.2 приведена схема спектрофлуориметра. Он состоит из трех основных частей: осветительной I, спектральной (оптической) II и приемно-регистрирующей III.

В осветительную часть входят источник света 1 и конденсорные линзы или зеркала 2, равномерно освещающие входную щель прибора 4. В кювете 3 устанавливается исследуемый и эталонный образец.

Спектральная часть (монохроматор) содержит входной объектив 5 и диспергирующую систему 6. Выходной объектив 7. В фокальной плоскости 8 устанавливается регистрирующее устройство 9.

Рис. 4.2. Схема спектрофлуориметра

 

Свет от источника освещения 1проходит через светофильтр и падает на кювету 3с исследуемым раствором. Приемник света 9измеряет люминесцентное излучение под прямым углом к направлению воз­буждающего света. Расположенный под прямым углом монохроматор к падающему пучку света на образец позволяет избавиться от рассеянного света и света от источника воз­буждения. В практике люминесцентного ана­лиза исследуемое вещество обычно освещают ультрафиолетовыми лучами. Наибольшее распространение среди различных источников освещения, вызывающих люминесценцию, по­лучили газоразрядные лампы, чаще всего ртутно-кварцевые и ксеноновые. Приемником люминесцентного излучения может служить глаз человека. В современных приборах для количест­венного анализа в качестве приемника излучения используют фотоумножители.

Практическое определение компонента, образующего люминесцирующее соединение в растворе, проводят по следующей схеме:

1. Растворение пробы и переведение определяемого компонента в люминесцирующее соединение.

2. Облучение пробы источником ультрафиолетового излучения.

3. Определение интенсивности люминесценции анализируемого и стандартных растворов (по току фотоумножителя, почернению фотопластинки и т.д.).

4. Определение градуировочной характеристики и расчет содержания определяемого компонента.

Приборы, реактивы:анализатор жидкости «Флюорат-02», весы лабораторные с наибольшим пределом взвешивания 200 г и ценой деления 0,1 мг, например типа ВЛР-200, пипетки с одной отметкой 2-го 10 см³, пипетки градуированные 2-го класса точности вместимостью 1, 2, 5 см³, колбы мерные 2-50-2, 2-25-2, цилиндры мерные 2-100 и 2-25, государственный стандартный образец состава раствора нефтепродуктов в гексане ГСО 7422-97 (1 мг/см³, погрешность аттестован­ного значения не более ± 5 %)

Вспомогательное оборудование

Колба коническая вместимостью 1000 см³, делительная воронка вместимостью 250 см³.

Реактивы

Вода дистиллированная, гексан, соляная кислота, х.ч., гидроксид натрия, х.ч.

Допускается использование реактивов аналогичной или более высокой квалификации. Рекомендуется использовать гек­сан ос.ч. (сорт 1) производства фирмы «Криохром».

Приготовление растворов

1 Раствор гидроксида натрия, массовая доля 5 % – 5 г гидроксида натрия растворяют в 95 г дистиллированной во­ды. Срок хранения раствора в сосуде из полиэтилена – 2 мес.

2. Раствор соляной кислоты, объемная доля 3 % – в коническую колбу из термостойкого стекла наливают 970 см³ воды и медленно, тщательно перемешивая, добавляют 30 см³ соля­ной кислоты. Срок хранения не ограничен.

3. Раствор НП в гексане, массовая концентрация 100 м г/дм³ – в мерную колбу вместимостью 50 см³ помещают 5 см³ стан­дартного образца состава раствора нефтепродуктов в гексане, раз­бавляют гексаном до метки и тщательно перемешивают.

Раствор устойчив не менее 3 мес., при хранении в холо­дильнике в колбе с пришлифованной пробкой в условиях, исклю­чающих улетучивание растворителя.

4. Раствор для градуировки анализатора, массовая кон­центрация НП 10 мг/дм³ – в мерную колбу вместимостью 50 см³ отбирают 5 см³ раствора нефтепродуктов с концентрацией 100 мг/дм³, разбавляют до метки гексаном и тщательно перемешивают.

Диапазон измеряемых концентраций 0,005 – 50 мг/дм³.

Определению нефтепродуктов не мешают жиры, гуминовые вещества, насыщенные углеводороды природного происхождения.

При анализе проб неочищенных сточных вод целлюлозно-бумажной, химической промышленности, а также по результатам контроля коэффициента пропускания гексанового экстракта пробы требуется дополнительная очистка экстракта на хроматографической колонке, заполненной оксидом алюминия.

Для приготовления градуировочного раствора используют гексан из той же партии, что и для экстракции нефтепродуктов из проб. При замене партии гексана необходимо проверить его чистоту и при отличии от прежних значений концентрации примесей нефтепродуктов более чем на 10% градуировочные растворы необ­ходимо приготовить заново.

Порядок выполнения работы

Перед выполнением измерений должны быть проведены сле­дующие работы: отбор проб, градуировка анализатора жидкости «Флюорат-02» и контроль чистоты гексана.

Отбор проб

Отбор проб воды производится в стеклянную посуду. Попада­ние пленки нефтепродуктов в отбираемую пробу недопустимо! Ана­лиз необходимо выполнить в течение 3 ч после отбора проб либо провести экстракцию нефтепродуктов. Гексановый экстракт проб может храниться в течение 1 недели в колбе с пришлифованной пробкой в условиях, исключающих улетучивание растворителя.

Объем отбираемой пробы 100 см³. Подготовленная и высу­шенная посуда для отбора проб проверяется на чистоту, для чего ее промывают гексаном (не менее 5 см³), сливают его в кювету ана­лизатора «Флюорат-02» и измеряют в режиме «Фон» (или «J0»). Полученное значение не должно отличаться от значений, получен­ных при проверке чистоты гексана более чем на 10 %.

Примечание:

В процессе измерения фонового сигнала проверяют чис­тоту кюветы. В кювету помещают гексан, измеряют сигнал, как описано выше, выливают гексан снова заполняют кювету новой порцией гексана и измеряют сигнал. Если наблюдается уменьшение сигнала, процесс повторя­ют до тех пор, пока сигнал не перестанет уменьшаться (обычно кювета отмывается за 1-2 раза). В качестве окончательного значения Ф_гекс прини­мают последнее значение.

Градуировка анализатора

Градуировку прибора осуществляют путем измерения сигна­лов флуоресценции раствора нефтепродуктов и чистого раствори­теля - гексана. При градуировке прибора и всех измерениях в кана­ле возбуждения используют светофильтр № 1, а в канале регистра­ции - светофильтр № 3.

1. Для модификаций «Флюорат-02-1» и «Флюорат-02-3» настройку режима «Фон» производят при помощи растворите­ля. Для этого помещают в кюветное отделение кювету с гексаном и нажимают клавишу «Ф». Для градуировки анализатора используют раствор НП с концентрацией 10 мг/дм³. Устанавливают следующие значения параметров: С = 10,00. В кюветное отделение помещают кювету с градуировочным раствором (концентрация НП равна 10 мг/дм³) и нажимают клавишу «Г».

2. Для модификаций «Флюорат-02-2М» и «Флюорат-02-ЗМ» входят в меню «Градуировка», устанавливают С0=0 и С1 = 10.00. При помощи клавиш со стрелками переводят курсор на ячейку со значением параметра «JO», в кюветное отделение поме­щают кювету с гексаном и нажимают клавишу «Еnt». Затем перево­дят курсор на ячейку со значением параметра «J1», в кюветное от­деление помещают кювету с градуирозочным раствором с концен­трацией НП 10 мг/дм³ и нажимают клавишу «Еnt>. При этом значе­ния параметров «С2» – «С6» и «J2» – «J6» должны быть равны ну­лю.

Контроль стабильности градуировочной характеристики

При использовании анализатора жидкости «Флюорат-02» мо­дификаций «Флюорат-02-1» и «Флюорат-02-3» контроль стабильно­сти градуировочной характеристики не проводят, поскольку градуировка анализатора проводится заново после каждого включения прибора в сеть.

При использовании анализатора жидкости «Флюорат-02» мо­дификаций «Флюорат-02-2М» и «Флюорат-02-ЗМ» контроль ста­бильности градуировочной характеристики проводят после смены стандартных образцов и реактивов, но не реже одного раза в месяц.

Измеряют массовую концентрацию нефтепродуктов в образ­цах для контроля стабильности градуировочной характеристики в режиме «Измерение» с использованием градуировочной характери­стики, заложенной в память анализатора. Градуировочная характе­ристика признается стабильной, если расхождение между заданным и измеренным значениями массовой концентрации НП не превыша­ет 10 % в диапазоне 0,5 – 10 мг/дм³, 20 % в диапазоне 0,1 – 0,5 мг/дм³, 40 % в диапазоне 0,05 – 0,1 мг/дм³.

Если расхождения превышают указанные значения, градуи­ровку анализатора необходимо повторить.

Выполнение измерений

Пробу воды переносят в делительную воронку вместимостью 250 см³. При помощи пипетки отбирают 10 см³ гексана и ополаски­вают им сосуд, в котором находилась проба. Гексан помещают в делительную воронку. Смесь перемешивают 1 мин, отстаивают до появления прозрачного верхнего слоя, который отделяют, перено­сят в кювету и измеряют концентрацию НП в экстракте на приборе «Флюорат-02» в режиме «Измерение». Одновременно фиксируют пропускание раствора (для модификаций «Флюорат-02-1» и «Флюо­рат-02-3» при нажатии клавиши «Т», для модификаций «Флюорат-02-2М» и «Флюорат-02-ЗМ» оно индицируется непосредственно при измерении концентрации НП). Водную фазу собирают в мерный ци­линдр вместимостью 100 – 200 см³ и точно фиксируют ее объем.

Если концентрация нефтепродуктов в экстракте выше 10 мг/дм³, то допускаются измерения без разбавления экстракта в диа­пазоне концентраций 10 – 50 мг/дм³, если при помощи 2 – 3 кон­трольных смесей с концентрацией НП от 10 до 50 мг/дм³ установле­но, что погрешность их измерения при градуировке анализатора по раствору с концентрацией 10 мг/дм³ не превышает 10 %. При этом пропускание экстракта не должно быть меньше, чем пропускание раствора НП с концентрацией 50 мг/дм³. Если линейность градуировочной зависимости не подтверждается или пропускание экстракта меньше, чем пропускание раствора НП с концентрацией 50 мг/дм³, то пробу необходимо разбавлять.

Если пропускание экстракта менее 0,5 (50%), то в сухую мер­ную колбу вместимостью 25 см³ отбирают 2 – 5 см³ экстракта и раз­бавляют до метки гексаном. Измеряют концентрацию нефтепродук­тов в полученном растворе в режиме «Измерение». Если показание прибора в режиме «Измерение» оказывается менее 10 мг/дм³, то контролируют пропускание раствора как списано выше.

Примечание:

При анализе проб сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, а также при анализе проб, экстракты которых после обработки растворами кислоты и гидроксида натрия имеют пропускание менее 0,5 (50 %), гексановый экстракт подверга­ют дополнительной очистке на хроматографической колонке, запол­ненной оксидом алюминия.

 

Концентрацию нефтепродуктов в пробе воды вычисляют по формуле:

 

(4.9)

 

где X_пр – концентрация НП в пробе воды, мг/дм³; Х_изм– концентрация НП в гексановом экстракте пробы, мг/дм³; V_г – объем гексана, взятый для экстракции, см³; V_пр –объем пробы, см³; К₁–разбавление экстракта, т. е. соотношение объемов мерной колбы и аликвотной порции экстракта. Если экстракт не разбавляют, то К₁ = 1.

При необходимости приготовления холостой пробы кон­центрацию НП в ней вычисляют аналогично. Результат анализа (X, мг/дм³) находят по формуле:

(4.10)

где Х_хол – концентрация НП в экстракте холостой пробы, мг/дм³.

 

Контрольные вопросы

1. Что называют люминесцентным излучением и какова его природа?

2. Сформулируйте основные закономерности люминесценции.

3. Какие виды люминесценции различают в зависимости от способа возбуждения?

4. Что такое флуоресценция?

5. Что такое квантовый выход в люминесценции и как он влияет на чувствительность анализа?

6. Приведите принципиальную схему прибора для измерения интенсивности флуоресценции. С чем связана необходимость использования двух светофильтров и где их место в схеме?

7. Почему для измерения флуоресценции используют только разбавленные растворы концентрацией 10^-3 – 10^-4 моль/л и менее?