analiza spektralna
 
Encyklopedia PWN
analiza spektralna, analiza spektrometryczna, analiza spektroskopowa, dawniej analiza widmowa,
zespół instrumentalnych metod analizy chem., w których mierzy się emisję, absorpcję lub rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego w funkcji długości fali.
Wielorakość i często niejednoznaczność terminologiczna wywodzi się stąd, że w zasadzie analiza spektroskopowa polega na wizualnej obserwacji widma (atomowego, cząsteczkowego), spektrograficzna — na jego fot. rejestracji, a spektrometryczna — na rejestracji fotoelektrycznej; ob. najczęściej stosuje się rejestrację fotoelektryczną, czego konsekwencją jest preferowanie terminu „spektrometria”. Widmo absorpcyjne powstaje w wyniku pochłaniania przez daną substancję promieniowania o określonej długości fali z przechodzącego przez nią promieniowania o widmie ciągłym; widmo emisyjne zaś jest efektem emisji promieniowania przez odpowiednio wzbudzone ciało; bada się także widma fluorescencyjne i widma rozproszenia. Stwierdzenie występowania charakterystycznych linii (pasm) w widmie jest podstawą wykrywania (identyfikacji) pierwiastków lub związków chemicznych w badanej próbce (analiza jakościowa), a pomiar natężenia promieniowania o określonej długości fali pozwala oznaczyć skład ilościowy próbki (analiza ilościowa). Metody a.s. wykorzystują zjawiska w zakresie promieniowania gamma (dł. fali 0,03–30 pm), rentgenowskiego (0,01 –1 nm), nadfioletowego (10–400 nm), widzialnego (400–760 nm), podczerwonego (0,76–1000 µm). Metody wykorzystujące widma emisyjne substancji noszą nazwę emisyjnych, a te, w których bada się widma absorpcyjne — absorpcyjnych.
Do badania składu pierwiastkowego — spektralna analiza atomowa (pierwiastkowa) — stosuje się zarówno metody emisyjne, jak i absorpcyjne — próbkę analityczną przeprowadza się w stan pary, jej rozkład prowadzi do wytworzenia wolnych atomów, które mogą absorbować lub emitować promieniowanie o charakterystycznej długości fali. W metodzie atomowej spektrometrii absorpcyjnej pary atomowej powstają w wyniku atomizacji w płomieniu lub w ogrzewanej elektrycznie rurce kwarcowej albo grafitowej (tzw. atomizacja elektrotermiczna); źródłem promieniowania są zwykle lampy wysyłające promieniowanie monochromatyczne o długości fali charakterystycznej dla danego (oznaczanego) pierwiastka; metodę tę stosuje się do oznaczania małych ilości pierwiastków, gł. metali, w próbkach środowiskowych, biol., żywności i in.; jest to najczęściej metoda jednopierwiastkowa (aparatura wyposażona w kilka źródeł promieniowania umożliwia jednoczesne oznaczanie kilku pierwiastków). W atomowej spektrometrii emisyjnej substancję wzbudza się w łuku elektr., w iskrze elektr., w płomieniu (fotometria płomieniowa) lub w palniku plazmowym (plazmotronie); w iskrze i łuku elektr. wysoka temperatura (kilka tys. stopni) pozwala na bezpośrednie odparowanie, atomizację i wzbudzenie próbek stałych, co znajduje szerokie zastosowanie np. w analizie metali, stopów, minerałów, tym bardziej że możliwe jest jednoczesne oznaczanie wielu pierwiastków; wzbudzanie w płomieniu i plazmie wymaga stosowania próbek ciekłych (roztworów). Zarówno w metodzie absorpcyjnej, jak i emisyjnej stosuje się niekiedy odparowanie, atomizację, a czasem i wzbudzenie za pomocą intensywnej wiązki promieniowania laserowego (tzw. ablacja laserowa). W atomowej spektrometrii fluorescencyjnej atomy oznaczanego pierwiastka są wzbudzane promieniowaniem o mniejszej długości fali i emitują promieniowanie fluorescencyjne o większej długości fali; metodę tę stosuje się do oznaczania wielu pierwiastków w próbkach środowiskowych, biol. i techn. po przeprowadzeniu ich do roztworu. Do metod analizy pierwiastkowej zalicza się również techniki wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X): emisyjną spektrometrię rentgenowską, absorpcyjną spektrometrię rentgenowską i, najczęściej stosowaną, analizę rentgenowską fluorescencyjną. Techniki te pozwalają na bezpośrednią analizę próbek stałych, co jest istotne w analizie metali i minerałów. W emisyjnej spektrometrii rentgenowskiej próbkę bombarduje się wiązką elektronów; otrzymuje się widmo w postaci linii emisyjnych na znacznym ciągłym tle — powoduje to niewielkie jej zastosowanie analityczne. W absorpcyjnej spektrometrii rentgenowskiej promieniowanie jest absorbowane przez atomy występujące w analizowanej próbce. Technika ta nadaje się dobrze do oznaczania ciężkich atomów w matrycach zawierających gł. lekkie atomy, np. ołowiu w benzynie.
Do badania składu cząsteczkowego — spektralna analiza cząsteczkowa — wykorzystuje się zjawiska absorpcji promieniowania, fluorescencji oraz rozproszenia. Metody spektrofotometryczne (dawniej w zakresie widzialnym nazywane kolorymetrycznymi) wykorzystują absorpcyjne widma cząsteczkowe w nadfiolecie i zakresie widzialnym, związane z przejściami elektronów walencyjnych i wolnych par elektronowych w związkach org. i kompleksach metali d-elektronowych; w celu zwiększenia selektywności często pomiar absorbancji poprzedza reakcja chem., charakterystyczna dla oznaczanego składnika, co pozwala na jego oznaczenie w mieszaninie; metody takie wykorzystuje się do oznaczania niewielkich i śladowych ilości składników, np. w rutynowej analizie materiałów przem., geol., biol., leków i in. Cząsteczkowa spektrometria fluorescencyjna (spektrofluorymetria) jest bardziej selektywna oraz pozwala na oznaczanie związków w stężeniach 102–104 razy mniejszych niż metody absorpcyjne; podstawą analizy ilościowej jest proporcjonalność natężenia promieniowania fluorescencyjnego do stężenia analitu; metoda jest stosowana do oznaczania witamin, hormonów, alkaloidów, środków farm., w analizie żywności, w ochronie środowiska i in. Wykorzystanie promieniowania podczerwonego w a.s. (spektrometria w podczerwieni) wiąże się z tym, że temu zakresowi energii fal odpowiada energia oscylacyjna i rotacyjna cząsteczek; zmiany tej energii mogą być specyficznie przypisane określonym ugrupowaniom atomów; umożliwia to oznaczanie związków o zbliżonej budowie, jednak w niezbyt skomplikowanych mieszaninach, zwykle w zakresie stężeń 0,1–100%; obszar dalekiej podczerwieni (λ > 20 µm) wykorzystuje się do identyfikacji, ustalania struktury i ilościowego oznaczania np. białek, polipeptydów, kwasów nukleinowych, sacharydów i in. substancji o znaczeniu biochem. i med., obszar bliskiej podczerwieni (λ = 0,76–2,5 µm) — m.in. w analizie żywności, do oznaczania białek, węglowodanów, tłuszczów lub wody w zakresie stężeń większych niż 0,1%. Wykorzystanie zjawiska Ramana dostarcza uzupełniających informacji o widmach oscylacyjno-rotacyjnych; spektrometrię Ramana stosuje się w badaniach polimerów syntet. i naturalnych, jak polipeptydy, białka, kwasy nukleinowe.
Za twórców a.s. uważa się G.R. Kirchhoffa i R.W. Bunsena, którzy 1859 (stosując wzbudzenie w palniku płomienia) przypisali linie o określonym położeniu w widmie konkretnym pierwiastkom chem., tzn. zidentyfikowali je, a także wykryli nieznane jeszcze rubid i cez. Inni badacze dzięki a.s. wykryli tal, ind i gal; J.N. Lockyer 1874 za jej pomocą wykrył obecność na Słońcu helu (pierwiastka nieznanego wówczas na Ziemi). Szerokie zastosowanie w analizie zyskały metody emisyjne atomowe dzięki pracom H. Lundegårdha (1929) i W. Gerlacha (1924), a metody absorpcyjne — A. Walsha (1955). Metody spektrometrii cząsteczkowej były w latach 1940–80 najczęściej stosowanymi metodami oznaczania pierwiastków. Dzięki a.s. możliwe jest — na podstawie obserwacji widm — badanie składu niedostępnych bezpośrednio obiektów (teleanaliza).
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia