Современная аналитическая химия - рентгенорлуоресцентный анализ

    Сегодня Люминесцентный метод анализа охватывает широкий круг методов определения разнообразных объектов от простых ионов и молекул до высокомолекулярных соединений и биологических объектов. Детектируется люминесценция самого объекта или его производных, возможно также использование изменения люминесценции специфичных агентов. Для сложных проб люминесцентное детектирование сочетается с химическим разделением (хроматография, электрофорез) или с биологическим выделением (иммуноанализ, метод полимеразной цепной реакции - ПЦР).

    Процесс люминесценции включает в себя переход молекул на возбужденный электронный уровень, колебательную релаксацию в возбужденном состоянии, переход на основной электронный уровень либо с испусканием света (собственно люминесцентное излучение), либо безызлучательно и колебательной релаксации в основном состоянии.

   

   4. Хроматография - физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. Хроматографический анализ является критерием однородности вещества: если каким-либо хроматографическим способом анализируемое вещество не разделилось, то его считают однородным (без примесей).

    Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа является возможность разделения близких по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать (установить природу) и количественно определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.

    Хроматография широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.

    В некоторых случаях для идентификации веществ используется хроматография в сочетании с другими физико-химическими и физическими методами, например с масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др.

 

    5. Капиллярный электрофорез. Капиллярный электрофорез – это метод анализа сложных смесей, использующий электрокинетические явления – электромиграцию ионов и других заряженных частиц и электроосмос – для разделения и определения компонентов. Эти явления возникают в растворах при помещении их в электрическое поле, преимущественно, высокого напряжения. Если раствор находится в тонком капилляре, например, в кварцевом, то электрическое поле, наложенное вдоль капилляра, вызывает в нем движение заряженных частиц и пассивный поток жидкости, в результате чего проба разделяется на индивидуальные компоненты, так как параметры электромиграции специфичны для каждого сорта заряженных частиц. В то же время, возмущающие факторы, как то: диффузионные, сорбционные, конвекционные, гравитационные и т.п., в капилляре существенно ослаблены, благодаря чему достигаются рекордные эффективности разделений.

    Система капиллярного электрофореза "Капель" предназначена для количественного и качественного определения состава проб веществ в водных и водно-органических растворах методом капиллярного электрофореза.

    Метод капиллярного электрофореза с успехом применяется для анализа разнообразных веществ и объектов: катионов металлов, неорганических и органических анионов, аминокислот, витаминов, наркотиков, пигментов и красителей, белков, пептидов, анализа фармпрепаратов и пищевых продуктов. А также для контроля качества вод и напитков, технологического контроля производства, входного контроля сырья, в криминалистике, медицине, биохимии, в том числе, для целей расшифровки генетического кода живых организмов и т.д.

   Мы перечислили  основные виды анализа физико-химических  свойств веществ, у всех у  них есть свои недостатки и  достоинства. Мы же хотели провести  анализ стиральных порошков используя  рентгенофлуоресцентный спектрометр.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Рентгенофлуоресцентный анализ.

 

 

3.1 История создания РФА.

 

     8 ноября 1895 года Вильгельм Конрад Рентген - профессор университета баварского города Вюрцбурга на юге Германии совершенно неожиданно сделал открытие, принесшее ему мировую известность. 27 ноября того же года шведский изобретатель и промышленник Альфред Бернхард Нобель подписал в Париже завещание. Этим судьбоносным событиям довелось встретиться через пять лет. Первую в истории Нобелевскую премию по физике (1901 г.) присудили 56-летнему В.Рентгену за сделанное пятью годами ранее открытие лучей, которые носят его имя (сам ученый назвал их Х-лучами). К тому времени Рентген был известным ученым, профессором Мюнхенского университета и директором Физического института.

    Слово "рентген" уже стало нарицательным, тем не менее, история открытия рентгеновских лучей, условия и методы работы их первооткрывателя и последующие открытия продолжают интересовать многих. Историки науки установили, что излучение, возникающее в катодно-лучевой трубке, многократно наблюдалось прежде, до открытия Рентгена. То есть Рентген был не первым ученым мира, который исследовал так называемые катодные лучи. Во второй половине XIX в. катодные трубки были во всех крупных физических лабораториях, и очень странно, что до Рентгена никто не замечал этих лучей. Еще в 1876 - 1880 гг. Эуген Гольдштейн изучал катодные лучи и наблюдал свечение некоторых солей.          

    Десять лет спустя, Томсон, проводя свои опыты с катодными лучами, также заметил, что стекло, помещенное более чем в метре от трубки, фосфоресцирует. Однако он не обратил на это должного внимания. Физики того времени по опыту хорошо знали, что около работающей катодной трубки нельзя оставлять фотоматериалы, ибо они засвечиваются. Например, в 1890 году в Америке был случайно получен рентгеновский снимок лабораторных предметов. А за 11 лет до Рентгена директор Бакинского реального училища Евгений Каменский описал лучи, обладающие фотохимическим действием. Секретарем Бакинского фотографического кружка Мишона производились даже опыты в области фотографии, аналогичные рентгеновским. К сожалению, опубликовано сообщение об этом было только в 1896 году в журнале "Природа и люди" N28. За 10 лет до опубликования открытия Рентгеном разрядами в вакуумных трубках начал интересоваться русский профессор Иван Павлович Пулюй. Он заметил, что эти лучи проникают через непрозрачные предметы и засвечивают фотопластинки. В 1890 году им были получены фотографии скелета лягушки и детской руки и даже опубликованы в европейских журналах. Однако дальнейшим изучением лучей он не занимался. Но факт остаётся фактом - известия об Х-лучах начали появляться еще за 10 лет до открытия Рентгена.       

    Эти и некоторые другие сообщения свидетельствуют о том, что ученые находились на пороге открытия. Последний, решающий шаг был сделан Рентгеном в 1895 г. Профессору Вильгельму Конраду Рентгену уже минуло 50 лет, когда он совершил свое открытие. Рентген сразу же поставил серию экспериментов и подробнейшим образом описал свойства вновь открытых лучей. Потому именно Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) вошел в историю, как первооткрыватель. Было это так...

   Занимаясь исследованиями электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках Крукса используя искровой индуктор с прерывателем, газоразрядную трубку и флуоресцирующий экран, Вильгельм Рентген заметил странное свечение кристаллов, лежавших на лабораторном столе. Он затемнил комнату и обернул газоразрядную трубку плотной непрозрачной черной бумагой. И тогда, к своему удивлению, он продолжал наблюдать бледно-зеленое свечение стоявшей неподалеку бумажной ширмочки, покрытой платиносинеродистым барием. Тщательнейшим образом проанализировав и устранив возможные причины ошибок Рентген установил, что свечение появлялось всякий раз, когда он включал трубку Крукса, что источником излучения является именно трубка, а не какая-нибудь другая часть цепи и что экран флуоресцировал даже на расстоянии почти двух метров от трубки, что намного превосходило возможности короткодействующих катодных лучей. Тень, которую отбрасывала на флуоресцирующий экран индукционная катушка, необходимая для создания разряда высокого напряжения, навела Рентгена на мысль об исследовании проникающей способности Х-лучей в различных материалах. Он обнаружил, что Х-лучи могут проникать почти во все предметы на различную глубину, зависящую от толщины предмета и плотности вещества. Натолкнувшись на неизвестное явление, ученый на протяжении семи недель в полном одиночестве работал в одной из комнат своей лаборатории, изучая свойства Х-лучей. Он велел приносить себе пищу в университет и поставить там кровать, чтобы избежать сколько-нибудь значительных перерывов в работе. Только в конце своего "одиночества" он приоткрыл тайну, сделав снимок в Х-лучах руки своей жены Берты с обручальным кольцом, показанный наряду с другими снимками в сообщении 28 декабря 1895 г.

    Тридцатистраничный отчет Рентгена был озаглавлен "О новом виде лучей. Предварительное сообщение". Последние два слова выглядят, право же, лишними: по своему содержанию рукопись была куда весомее многих объемистых научных фолиантов. Ее вскоре издадут отдельной брошюрой, переведут на многие европейские языки. Очевидцев открытия не было. Сам Рентген не рассказывал об истоках опыта. Довольно замкнутый по натуре, он не любил репортеров. И сделал едва ли не единственное в жизни исключение, дав в самом начале 1896 г. интервью одной из парижских газет.

    Счастье, явившееся столь неожиданно, ''великий жребий'', как позднее сказал Рентген, который ему выпал, он хотел заслужить как исследователь, представив совершенно безупречные результаты и еще около двух лет продолжал исследовать свойства лучей. В 1895-97 опубликовал 3 работы, содержавшие анализ свойств нового излучения, причем изучил его настолько основательно, что понадобилось более 10 лет, чтобы добавить что-либо к его выводам. "Впоследствии Рентгену не пришлось отказываться ни от одного слова, что было в его первых сообщениях", - писал немецкий физик Арнольд Зоммерфельд. Да и конструкции первых рентгеновских трубок в основных чертах сохранились до нашего времени…

    По-видимому, первым открытие Рентгена в коммерческих целях применил Т.Эдисон: в мае 1896 г. он в Нью-Йорке организовал выставку, где желающие могли разглядывать на экране изображение своих конечностей в рентгеновских лучах. Но после того как его помощник умер от ожогов Х-лучами, Эдисон прекратил все опыты с ними. Однако, несмотря на очевидную опасность, работы с новыми лучами, расширяясь и углубляясь, продолжались.

    Свойства рентгеновского излучения и эффекты его взаимодействия с веществом, на которых основаны прочно вошедшие в лабораторную практику методы рентгено-спектрального, рентгено-флуоресцентного (РФА) и рентгено-дифракционного (XRD) анализа, были открыты намного позднее.    

    Этот факт подчеркивает глобальность научных следствий открытия X-лучей. Их свойства раскрывались постепенно, на протяжении десятилетий, до настоящего времени. История последующих открытий заслуживает не меньшего внимания, поскольку мировые достижения в применении X-лучей обязаны изучению их свойств.

    Сразу же после открытия Рентгена среди физиков возник старый спор, который в то время сопутствовал открытию любого вида излучения. Одни считали, что эти лучи представляют собой разновидность электромагнитного излучения вроде света, тогда как другие полагали, что они состоят из частиц. Сам Рентген не мог объяснить происхождение X-лучей, равно как и установить их волновую природу. Он не признавал существование электронов. А ведь именно их торможение в веществе, как мы знаем сейчас, вызывает электромагнитные волны с короткой длиной (меньшей, чем у ультрафиолетового света).

    В 1899 г. нидерландские физики Г. Хага и К. X. Винд пропустили пучок рентгеновских лучей через узкую щель и обнаружили слабый дифракционный эффект. Отсюда они сделали вывод о волновой природе рентгеновских лучей и оценили длину волны этого излучения: она была порядка одного ангстрема (одной стомиллионной сантиметра). Для сравнения укажем, что видимый свет имеет длину волны порядка нескольких тысяч ангстрем.

    В 1904 г. английский физик Чарлз Баркла занялся проверкой гипотезы английского физика Стокса о том, что если рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами, то они должны поляризоваться, причем поляризация должна зависеть от способа их образования в катодной трубке. Эксперимент, поставленный Барклом, подтвердил, что рентгеновские лучи представляют собой колебания электромагнитных волн, возникающих в результате торможения электронов, которые ударяют в анод рентгеновской трубки. Поляризация действительно была обнаружена, и это было воспринято как серьезный аргумент в пользу волновой природы рентгеновских лучей.

    В то же самое время, однако, выявились и некоторые факты, свидетельствующие о корпускулярном характере рентгеновских лучей. В 1908 г. Уильям Генри Брэгг исследовал процесс возникновения заряженных частиц под действием рентгеновского излечения. Он, в частности, наблюдал возникновение при этом потока электронов, на основании чего сделал вывод, что рентгеновские лучи представляют собой поток частиц, ибо подобный эффект могут вызвать только частицы. Эти опыты склонили чашу весов в сторону корпускулярной теории, и такое положение сохранилось до 1912 г., когда неожиданно было представлено блестящее доказательство волновых свойств рентгеновских лучей.

    В Мюнхенском университете, где продолжал работать Рентген, Макс фон Лауэ исследовал явления дифракции. Лауэ пришел к мысли, что расстояние между атомами в кристаллических решетках - того же порядка, что и предполагаемая длина волны рентгеновских лучей. В этом случае при прохождении лучей через кристалл должно было бы наблюдаться явление дифракции. После некоторых экспериментов удалось получить фотографии сложных дифракционных картин, которые окончательно убедили ученый мир в волновых свойствах рентгеновских лучей. В последствии Макс фон Лауэ разработал теорию интерференции Х-лучей на кристаллах, предложив использовать кристаллы в качестве дифракционных решеток. В том же 1912 г. эта теория интерференции получила экспериментальное подтверждение в опытах В.Фридриха и П.Книппинга.

    В 1913 г. Вильям Лоренс Брэгг (сын У.Г.Брэгга) и независимо русский кристаллограф Георгий Викторович Вульф вывели формулу, описывающую условия интерференционного отражения рентгеновских лучей от кристаллов (формула Брэгга - Вульфа). Указанная формула, связывающая длину волны рентгеновского излучения с периодом кристаллической решетки кристалла, позволяет, с одной стороны, используя рентгеновские лучи определенной длины волны, исследовать структуру вещества, а с другой - используя такие кристаллы, как поваренная соль, структура которой известна, можно исследовать сами рентгеновские лучи. Обширные эксперименты такого рода, проведенные отцом и сыном Брэггами, положили начало рентгеноструктурному анализу.