Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные принципы новых методов и подходов в люминесцентном анализе суперэкотоксикантов 16
Характеристика исследуемых объектов 16
Основные тенденции развития люминесцентного метода анализа 19
Люминесцентный метод анализа, использующий спектральную селекцию. Трехмерные спектры люминесценции 20
Контурные спектры люминесценции 22
Сечения трехмерных спектров люминесценции 24
Синхронные спектры люминесценции. Их происхождение и использование в анализе 25
Модифицированные синхронные спектры люминесценции. Спектры, полученные сканированием спектров возбуждения и испускания в режиме сканирования с Av =const и в режиме асинхронного сканирования 31
Трехмерные синхронные спектры люминесценции 36
Комбинированные методы 36
Синхронное сканирование в сочетании с производной спектроскопией 36
Синхронные спектры, полученные в условиях эффекта Шпольского 38
Люминесцентный метод, использующий временную селекцию 40
ГЛАВА 2. Объекты и методика исследования 45
Исходные вещества 45
Аппаратура и техника эксперимента 47
ГЛАВА 3. Развитие люминесцентного метода со спектральной селекцией. Люминесцентный метод, использующий трехмерные, синхронные, асинхронные спектры 53
Возможности метода синхронной спектрофлуориметрии для анализа модельных многокомпонентных смесей с близкими спектральными характеристиками 54
Использование производных высших порядков от синхронных спектров люминесценции для повышения селективности метода синхронной спектрофлуориметрии 68
Использование синхронных спектров люминесценции, полученных в условиях эффекта Шпольского, для повышения селективности метода синхронной спектрофлуориметрии 78
Использование асинхронной и контурной спектрофлуориметрии для повышения селективности определения полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) с близкими спектрально-
люминесцентными характеристиками в смесях 86
Возможности метода синхронной спектрофлуориметрии для идентификации реальных объектов - различных типов технических масел и установления их индивидуального углеводородного состава 95
ГЛАВА 4. Развитие люминесцентного метода с временной селекцией. Лазерно-люминесцентный метод определения урана 103
Применение лазерного возбуждения для определения микроколичеств урана в растворе 104
Влияние тушащих добавок на предел обнаружения микроколичеств урана в растворах люминесцентным методом 109
Механизмы тушения люминесценции ионов уранила неорганическими ионами в водных растворах 115
Роль комплексообразования ионов уранила в реакции фотохимического переноса электрона 123
Влияние состава раствора на определение микроколичеств урана(VI) лазерно-люминесцентным методом 129
Определение урана(УІ) в природных водах 135
Определение кларковых содержаний урана(VI) в горных породах 137
ГЛАВА 5. Лазерно-люминесцентный метод определения органических соединений 143
Определение полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), имеющих собственное свечение 143
Определение соединений ( на примере алифатических аминов), не имеющих собственного свечения 151
ГЛАВА 6. Новые лазерно-люминесцентные приборы 157
Лазерно-люминесцентный прибор для определения урана (VI) 157
Лазерно-люминесцентный прибор для определения ПАУ 163
ГЛАВА 7. Развитие метода фосфориметрии при комнатной температуре в организованных средах для селективного определения ПАУ в смесях 169
Метод лазерно-индуцированной фосфориметрии при комнатной температуре для селективного определения ПАУ в мицеллярных растворах 170
Спектрально-кинетические зависимости фосфоресценции ПАУ при комнатной температуре в мицеллярных средах 177
Метод лазерно-индуцированной фосфориметрии при комнатной температуре для селективного определения ПАУ в смесях в условиях сорбции 183
Выводы 192
Литература 195
- Люминесцентный метод анализа, использующий спектральную селекцию. Трехмерные спектры люминесценции
- Использование производных высших порядков от синхронных спектров люминесценции для повышения селективности метода синхронной спектрофлуориметрии
- Влияние тушащих добавок на предел обнаружения микроколичеств урана в растворах люминесцентным методом
- Лазерно-люминесцентный прибор для определения ПАУ
Введение к работе
Актуальность темы. К важнейшей проблеме современности, включающей научные, технические и экономические аспекты, следует отнести проблему сохранения и защиты объектов окружающей среды. Это связано с тем, что антропогенные факторы в биогеохимическом круговороте многих токсичных для человека веществ стали сопоставимы с природными, а порой и превосходят их. При этом циркуляция чужеродных живым организмам соединений и их неизбежный перенос по пищевым цепям возросли до уровня, угрожающего здоровью настоящего и будущего поколения.
В результате многолетней хозяйственной деятельности человека
в биосфере циркулирует огромное число ксенобиотиков техногенного
происхождения, многие из которых имеют исключительно высокую
токсичность. Это так называемые суперэкотоксиканты -
загрязняющие вещества, представляющие наибольшую опасность для
человека. Суперэкотоксиканты обладают способностью
накапливаться в живых организмах, передаваясь по трофическим
цепям. Многие из них проявляют канцерогенную и мутагенную
активность, вызывая серьезные заболевания человека и животных,
являются причиной роста числа врожденных уродств. Кроме того
многие суперэкотоксиканты обладают удивительной стабильностью -
для их полного разложения требуются столетия. К главным
представителям суперэкотоксикантов, которые вызывают
наибольшую тревогу среди ученых и представителей общественности,
следует отнести из органических соединений, в частности,
полициклические ароматические углеводороды (ПАУ),
6 несимметричный диметилгидразин и его метаболиты, а из ряда неорганических -радионуклиды, в частности, уран (VI) (ион уранила).
Как правило, содержание этих веществ в объектах окружающей среды регламентировано величинами предельно допустимых концентраций (ПДК), значения которых составляет от нескольких нг/мл до сотых долей нг/мл (следовые количества).
Достоверный ответ на вопрос о состоянии окружающей среды и влиянии на нее антропогенных факторов может быть дан только на основе систематических наблюдений за загрязнением природных объектов и выявлением источников загрязнений.
Необходимость массового эколого-аналитического мониторинга ряда суперэкотоксикантов: урана (VI), ПАУ, гептила при оценке загрязнения окружающей среды, контроле качества различной продукции обуславливает актуальность проблемы, стоящей перед аналитической химией, - проблемы развития методов исследования и определения суперэкотоксикантов.
Из-за жесткого регламентирования содержания урана (VI), ПАУ, гептила в объектах окружающей среды, а также из-за исключительной сложности состава природных объектов развитие методов определения в них суперэкотоксикантов должно быть направлено на увеличение их чувствительности, точности, специфичности и на упрощение техники измерений, позволяющее проводить анализ с минимальной подготовкой проб в реальном времени и в полевых условиях. Причем методы должны быть приспособлены к анализируемому объекту или адаптированы к самой проблеме, согласно сформулированной академиком Ю.А.Золотовым основной для аналитической химии триаде «проблема - объект - метод».
К одному из современных методов определения урана (VI), ПАУ, гептила в природных объектах, позволяющему решить эти задачи, следует отнести люминесцентный метод анализа, основанный на регистрации люминесцентного сигнала определяемых веществ. Этот метод достойно конкурирует по пределу обнаружения ряда веществ с наиболее часто используемыми в анализе суперэкотоксикантов хроматографическими и масс-спектрометрическими методами, отличаясь от них невысокой стоимостью и простотой эксплуатации оборудования. Преимущества люминесцентного метода заключаются в минимальной пробоподготовке, исследуемые вещества не разрушаются в процессе анализа, при использовании люминесцентного метода возможен анализ в потоке. Люминесцентный метод позволяет применять методологию скрининга и может быть использован как тест-метод. Перечисленные преимущества значительно сокращают длительность анализа и снижают стоимость аналитического контроля.
Универсальность метода обеспечивается возможностью его использования не только для определения веществ, обладающих собственной люминесценцией, но и для веществ, образующих люминесцирующие продукты различных химических реакций.
Однако различные варианты традиционного люминесцентного метода для определения урана (VI), ПАУ при комнатной температуре, существовавшие к началу выполнения данной работы (конец 70-х годов) характеризовались высокими пределами обнаружения порядка 10 нг/мл и не обеспечивали достаточной специфичности при определении веществ с близкими спектрами люминесценции в сложных смесях. Нам было очевидно, что необходим новый подход для улучшения метрологических характеристик люминесцентного
метода анализа объектов окружающей среды. Реализации новых идей в развитии люминесцентного метода и автоматизации анализа помогло появление ЭВМ, лазеров, новой аналитической техники, базирующейся на спектроскопических принципах.
Данная диссертация, посвященная исследованию особенностей применения известных и разработке новых вариантов люминесцентного метода для определения следовых количеств урана(УІ) и ПАУ в различных природных объектах, охватывает результаты многолетних исследований автора, проведенных совместно с сотрудниками ГЕОХИ РАН в соответствии с планом НИР РАН и комплексными научно-техническими программами «Хитон», «Метком» и др.
Цель работы состояла в нахождении новых путей повышения чувствительности и специфичности люминесцентного определения следовых количеств неорганических и органических суперэкотоксикантов, обладающих собственным свечением и не имеющим такового, в частности, урана (VI), ПАУ, несимметричного диметилгидразина; в разработке новых методов их определения, отличающихся высокой чувствительностью, селективностью, экспрессностью и создании на их основе новой аналитической аппаратуры.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
- изучение спектрально-люминесцентных особенностей урана (VI), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и их смесей при лазерном возбуждении при комнатной температуре в водных растворах, мицеллярных средах и в условиях сорбции на твердых подложках;
разработка экспрессного, высокочувствительного лазерно-люминесцентного метода (ЛЛМ) с временной селекцией для определения урана (VI) и суммарного содержания ПАУ в различных объектах с пределом обнаружения менее 1 нг/мл;
разработка метода лазерно-индуцированной фосфориметрии (ЛИФКТ) при комнатной температуре для селективного определения ПАУ при их совместном присутствии в смеси;
разработка и создание аппаратуры на основе методов ЛЛМ и ЛИФКТ для экспрессного массового контроля загрязнения окружающей среды суперэкотоксикантами;
развитие люминесцентного метода со спектральной селекцией -метода синхронной спектроскопии для селективного определения индивидуальных ПАУ с близкими спектрами в различных смесях.
Научная новизна. Научное направление, развитое в диссертации, состоит в создании и развитии новых аналитических методов: лазерно-люминесцентный метод с временной селекцией (ЛЛМ) и метод лазерно-индуцированной фосфориметрии при комнатной температуре (ЛИФКТ).
На основании исследования особенностей спектрально-люминесцентных характеристик урана (VI) и ПАУ в различных водных растворах и твердых средах, обладающих интенсивным собственным свечением, установлено, что снижение предела обнаружения и повышение селективности их люминесцентного определения достигается за счет использования временной селекции при периодическом лазерном возбуждении. Показано, что максимальное различие во временах свечения определяемого вещества и фона достигается для урана (VI) в ЇМ Н3РО4 и в присутствии
полисиликатной матрицы; для ПАУ в мицеллярных средах и в условиях их сорбции на твердых подложках.
Применительно к ПАУ с близкими спектрами люминесценции развит метод синхронной спектрофлуориметрии. Показано, что использование асинхронных спектров люминесценции, синхронных спектров люминесценции, полученных в условиях эффекта Шпольского, спектров производных высших порядков от синхронных спектров люминесценции существенно повышают чувствительность и селективность определения ПАУ при их совместном присутствии в смесях.
Практическая значимость работы состоит в разработке комплекса экспрессных высокочувствительных методик люминесцентного определения урана (VI) и ПАУ в различных водных растворах, в том числе:
методик определения урана (VI) в виде фосфатных и полисиликатных комплексов в различных водных пробах с использованием ЛЛМ с пределами обнаружения 0,3 нг/мл и 0,002 нг/мл соответственно;
методики определения суммарного содержания ПАУ в природных и сточных водах с использованием модифицированного ЛЛМ с пределами обнаружения 0,2 нг/мл;
методики селективного определения следовых количеств индивидуальных ПАУ в смесях с использованием модифицированного метода синхронной спектрофлуориметрии;
методики определения следовых количеств несимметричного диметилгидразина (гептила) в природных и сточных водах;
методики флуориметрического скрининга проб воды на содержание суммарного количества ПАУ.
методики селективного определения индивидуальных ПАУ в смесях по их фосфоресценции при комнатной температуре;
в разработке и создании лазерно-люминесцентных приборов для определения следовых количеств урана (VI) и ПАУ в растворах, работающих в статическом и динамическом режимах. Приборы прошли успешные испытания в полевых условиях, в том числе морских экспедициях. Их новизна и оригинальность удостоверены патентом РФ, золотой и серебряной медалями ВВЦ, бронзовой медалью на Всемирной выставке изобретений в Брюсселе.
Автор выносит на защиту следующие результаты и положения:
Совокупность данных об особенностях спектрально-люминесцентных характеристик урана (VI), ПАУ, гептила в различных водных растворах при периодическом лазерном возбуждении при комнатной температуре.
Результаты спектрально-кинетического исследования фосфоресценции ПАУ при комнатной температуре в мицеллярных средах и в условиях сорбции на твердых подложках.
Результаты модификации метода синхронной спектрофлуориметрии. Обоснован выбор асинхронных спектров люминесценции, синхронных спектров люминесценции, полученных в условиях эффекта Шпольского, спектров производных высших порядков от синхронных спектров люминесценции для повышения
чувствительности и селективности люминесцентного определения следовых количеств ПАУ при их совместном присутствии.
Лазерно-люминесцентный метод с временной селекцией для определения следовых количеств урана (VI) и ПАУ в различных объектах, обладающих интенсивным собственным свечением.
Метод лазерно-индуцированной фосфориметрии при комнатной температуре в мицеллярных средах и на поверхности сорбентов для селективного определения ПАУ в смеси.
Новый сорбент для флуориметрического скрининга проб воды на содержание суммарного количества ПАУ и для селективного определения индивидуальных ПАУ в смеси методом лазерно-индуцированной фосфориметрии при комнатной температуре.
Комплекс экспрессных, высокочувствительных и простых в исполнении методик для люминесцентного определения урана (VI) и ПАУ в водных средах, обладающих интенсивным собственным свечением.
Созданную аппаратуру, где был реализован лазерно-люминесцентный метод с временной селекцией.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на Всесоюзных совещаниях по люминесценции (Самарканд, 1979), (Харьков, 1982), ( Рига, 1989), (Караганда, 1989); IV Всесоюзном совещании по фотохимии (Ленинград, 1981); Всесоюзной конференции « Методы анализа объектов окружающей среды» (Москва, 1983); III Всесоюзной конференции по химии урана (Москва, 1985); Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Ленинград, 1975; Москва, 1989; Минск, 1993); Всесоюзном семинаре, посвященном 35-летию эффекта Шпольского «Проблемы
тонкоструктурной и селективной спектроскопии» (Москва, 1988); Международной конференции «Актиниды-89» (Ташкент, 1989); Всесоюзной конференции «Анализ-90» (Ижевск, 1990); I и II Всероссийских семинарах «Проблемы и достижения люминесцентной спектроскопии» (Саратов, 1998, 2001); 10 Европейской конференции «Euroanalysis 10» ( Basel, 1998); Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «ЭКОАНАЛИТИКА-96», «ЭКОАНАЛИТИКА-98» «ЭКОАНАЛИТИКА-2000» (Краснодар, 1996, 1998, 2000); «ЭКОАНАЛИТИКА-2003» (Санкт-Петербург, 2003); «ЭКОАНАЛИТИКА-2006» (Самара, 2006); Международном конгрессе по аналитической химии (Москва, 1997, 2006); Всесоюзной научно-практической конференции «Экологические проблемы крупных административных единиц мегаполисов» (Москва, 1997); Международном конгрессе по проблемам урбанизации и окружающей среды «Эколого-гигиенические проблемы мегаполиса XXI века и стратегия их решения (Москва, 1998); VII Всероссийской конференции с международным участием « Органические реагенты в аналитической химии» (Саратов, 1999); II Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Физическая экология)» (Москва, 1999); IV Международном конгрессе «Вода: экология и технология (Москва, 2000); Международной конференции по люминесценции, посвященной 110-летию со дня рождения академика С.И.Вавилова (Москва, 2001); Всероссийском симпозиуме «Тест-методы химического анализа» (Москва, 2001); Всероссийской конференции «Актуальные проблемы аналитической химии» (Москва, 2002); I Всероссийской конференции «Аналитические приборы» (Санкт-Петербург, 2002); VI International Conference on the Occurrence, Properties and Utilization of Natural Zeolites (Zeolite'02) (Thessloniki, 2002); Международный симпозиум «Разделение и концентрирование в аналитической химии
(Краснодар, 2002); Международный форум « Аналитика и аналитики»( Воронеж, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 статьи и 35 тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях, получен патент РФ (Общее число научных публикаций автора 79).
Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоял в формировании научного направления, постановке основных задач исследований, непосредственном участии во всех этапах теоретических и экспериментальных исследований и интерпретации всех полученных результатов. Диссертационная работа представляет собой обобщение результатов исследований, полученных автором лично и совместно с участием соавторов совместных научных публикаций по следующим разделам:
постановка тематики исследований и формирование научного направления выполнена при активном участии академика РАН Б.Ф.Мясоедова и члена-корреспондента РАН А.К.Чибисова;
работы в области разработки методик определения урана (VI) и ПАУ в объектах различного состава с использованием ЛЛМ проведены совместно с О.Ф.Мироновой, М.А.Кремневой, Н.А.Лебедевой, Г.В.Захаровой (ГЕОХИ РАН);
работы в области создания программного обеспечения для получения асинхронных спектров люминесценции и синхронных спектров люминесценции, регистрируемых в волновых числах, проведены совместно с С.В.Королевым (Химический факультет МГУ);
работы в области изучения явления фосфоресценции при комнатной температуре в мицеллярных средах и на поверхности сорбентов
проведены совместно с М.В.Королевой, В.А.Никашиной, А.Н.Блиновым (ГЕОХИ РАН);
- работы в области создания новых лазерно-люминесцентных приборов для определения содержаний урана (VI) и ПАУ в различных объектах проведены совместно с В.И.Погониным, В.А.Горпенко, И.А.Трифоновой (ГЕОХИ РАН).
Люминесцентный метод анализа, использующий спектральную селекцию. Трехмерные спектры люминесценции
В основе спектральной селекции люминесцентного метода лежит использование различий в основных спектральных параметрах исследуемых веществ и фона: длинах волн возбуждения и испускания, а также интенсивностях люминесценции. Наибольшего различия можно достичь при измерении всех спектрально-люминесцентных свойств, исследуя полные спектры люминесценции, представляющие собой совокупность зависимостей интенсивности люминесценции, как от длины волны возбуждения, так и от длины волны испускания (3-мерный спектр или матрица возбуждение— испускание [7]). Каждая строка матрицы представляет собой спектр излучения, измеренный при определенной длине волны возбуждения, а каждый столбец — спектр возбуждения, зарегистрированный при данной волне испускания. Таким образом, каждый элемент матрицы представляет собой интенсивность флуоресценции при определенных длинах волн возбуждения и испускания. Математический анализ такой матрицы, содержащей большой массив данных об исследуемой системе, открывает возможность качественного и количественного анализа многокомпонентных смесей. Например, известны приемы и алгоритмы, позволяющие определять количество люминесцирующих компонентов в смеси [7], определять концентрации и соотношение между концентрациями компонентов в бинарных и тройных смесях, если известны сами компоненты [8-Ю], определять спектры возбуждения и излучения каждого компонента в бинарных смесях [11, 12]. Существуют два способа наглядного представления матрицы возбуждение—испускание. В соответствии с одним из них (способ изометрической проекции) матрицу предоставляют в виде трехмерной картины, по горизонтальным осям которой откладывают длины волн возбуждения и излучения флуоресценции, а по вертикальной оси — интенсивность [13, 14]. Такие спектры получают из большого числа (обычно 50) индивидуальных спектров флуоресценции (фосфоресценции), записанных через определенные промежутки длин волн возбуждения.
Обычно получение такого спектра трудоемко и длительно ( 1 ч) [15], причем большая часть времени затрачивается на запись индивидуальных спектров. Общую изометрическую картину получают с помощью ЭВМ, она подобна приведенной на рис. 1. В последнее время использование фотоприемников-видиконов и приборов с зарядовой связью позволяет существенно сократить время измерений, например, получать большое число спектров (240) за короткое время (один спектр за 17 мс) [13, 16]. Спектры, подобные представленным на рис. 1, дают полную картину спектральных свойств исследуемого образца. Однако следует заметить, что использование 3-мерных спектров люминесценции, представленных в изометрической проекции, для анализа смесей, содержащих более трех компонентов, например, автомобильного топлива и горючесмазочных материалов, представляет неразрешимую задачу. Спектры люминесценции таких веществ характеризуются широкими размытыми полосами, лежащими в одной спектральной области. Отнесение таких полос затруднительно. Для этого можно использовать трехмерные спектры, представленные в виде двухмерной картины на плоскости [17]. Трехмерный спектр люминесценции может быть легко преобразован в двухмерную картину на плоскости [12]. Такая двухмерная картина является вторым способом представления матрицы возбуждение—испускание либо в цифровом виде, либо в графическом [18] — в виде контурных линий равной интенсивности на плоскости длин волн испускания и возбуждения, как показано на рис. 2. Получающиеся таким образом изображения напоминают изображения на контурных картах гористой местности с обозначением кривых, соединяющих точки, расположенные на одинаковой высоте.
Отсюда и название — контурные спектры Для получения контурных спектров сначала измеряют 3-мерный спектр люминесценции, а затем вычисляют контуры с помощью программы интерполяции, оценивающей точки равной интенсивности [19-21]. Контурный спектр для каждого люминесцирующего соединения индивидуален подобно отпечаткам пальцев. Поэтому представление матрицы возбуждение—излучение в виде контурного спектра дает возможность быстрой качественной идентификации по нему присутствующих в смеси компонентов.
Использование производных высших порядков от синхронных спектров люминесценции для повышения селективности метода синхронной спектрофлуориметрии
Ранее [48,119] нами было показано, что при синхронном сканировании создаются условия для обнаружения всех или некоторых компонентов смеси. Однако следует отметить, что в ряде случаев синхронные спектры флуоресценции или фосфоресценции смеси ароматических соединений представляют собой кривые с плохо разрешенными максимумами. Улучшить разрешение максимумов суммарного спектра за счет сужения полос отдельных компонентов можно в результате дифференцирования спектра. Как известно [74, 81, 83, 85, 87], преимущество использования производных в люминесцентном анализе смесей особенно целесообразно, благодаря преобладанию систематических погрешностей над случайными. В результате улучшается разрешение перекрывающихся полос компонентов, растет контрастность и происходит обогащение структуры этих полос, что, в конечном счете, приводит к повышению чувствительности, селективности и экспрессности метода. Однако при анализе смесей ароматических соединений применение производных от обычных спектров люминесценции осложнено рядом причин. Во-первых, спектры люминесценции индивидуальных соединений часто имеют колебательную структуру. Дифференцирование, особенно многократное, таких спектров приводит к сильному их структурированию, вследствие чего суммарный спектр производных оказывается состоящим из накладывающихся полос, что затрудняет проведение анализа. В табл. 7 приведены положения основных максимумов в спектрах производных четвертого порядка от обычных спектров флуоресценции индивидуальных ароматических углеводородов и их смеси.
Видно, что полосы в областях 377-378, 396-400, 422-425 нм принадлежат нескольким компонентам смеси, что делает невозможным проведение анализа по этим полосам. Во-вторых, при измерении производных высших порядков от спектров люминесценции ароматических соединений, характеризуемых обычно большой величиной полуширины а (сотни нанометров), неизбежно резкое падение отношения сигнал/шум (с/ш). Известно [84], что интенсивность полос (І) в спектрах производных зависит от порядка производной (п) и полуширины полосы в исходном спектре люминесценции в соответствии с выражением (15): Для улучшения отношения с/ш необходимо использовать операции сглаживания спектра производной, однако последние, в свою очередь, вызывают уширение полос индивидуальных компонентов в спектре производной [84] и ухудшают спектральное разрешение. Указанные трудности могут быть в значительной степени преодолены использованием спектров люминесценции. Во-первых, синхронные спектры люминесценции смесей ароматических соединений имеют относительно простой вид, так как синхронные спектры индивидуальных компонентов обычно представляют собой одиночные полосы [119] (см. табл. 2). Во-вторых, полуширина полос в синхронном спектре равна 8-20 нм [119]. Следовательно, для узких полос в синхронном спектре флуоресценции интенсивность полос в спектрах производных высших порядков должна быть значительно выше интенсивности полос в спектрах производных высшего порядка от обычных спектров флуоресценции. Выбор нами четвертой производной от синхронных спектров люминесценции для анализа смесей ПАУ можно объяснить тем, что она похожа на исходный спектр.
Положение центрального экстремума 4-ой производной совпадает с положением максимума полосы синхронного спектра люминесценции (гауссового контура) [83]. Ширина исходной полосы при дифференцировании уменьшается при переходе к четвертой производной в 1,8 раз, ко второй - в 1,3 раза. Справа и слева от центрального пика четных производных наблюдаются дополнительные полосы, называемые сателлитами. Интенсивность полос сателлитов необходимо учитывать, если их положение совпадает с максимумами полос определяемых соединений. Следует заметить, что отношение интенсивностеи центрального пика и сателлитов в спектре производной равны 2,24 и 4,62 для второй и четвертой производной соответственно [83]. Для получения неискаженных четвертых производных [83] для улучшения отношения сигнал/шум обрабатываемого синхронного спектра осуществляли его накопление и усреднение. Следует заметить, что относительная суммарная погрешность для серии экспериментов в получении синхронных спектров не превышала 2%. После операций дифференцирования и сглаживания значение относительной суммарной погрешности при регистрации сигнала производной четвертого порядка оставалась в пределах 3 - 4%. Ниже приведены примеры, показывающие, как использование производных четвертого порядка от синхронных спектров флуоресценции: позволяет существенно расширить возможности метода синхронной спектрофлуориметрии, преимущества которого перед обычным люминесцентным методом состоят в одновременном обнаружении всех компонентов смеси. На рис. 15а приведен синхронный спектр флуоресценции смеси антрацена и 2-метилантрацена, полученный при ДА, = 5 нм при 77К. На рис.156 приведен спектр его 4-ой производной.
Из рис.156 видно, что спектр четвертой производной синхронного спектра флуоресценции имеет четко выраженные максимумы, характерные для индивидуальных соединений: 374 и 380 нм для метилантрацена и антрацена соответственно (см. табл. 2). На рис. 16 представлен синхронный спектр флуоресценции смеси антрацена, 1,2-бензантрацена и 9,10-диметилантрацена. -«# Рис. 16. Синхронный спектр флуоресценции (1) смеси антрацена (1,0 10" М), 1,2-бензантрацена (1,5 10"7 М) и 9,10-диметилантрацена (2,0 10"8 М), измеренный при ДА, = 5 нм, и спектр производной четвертого порядка (2) от спектра (1). Цифрами указаны положения максимумов полос. Видно наличие в синхронном спектре флуоресценции смеси только двух максимумов, соответствующих антрацену (378 нм) и 9,10-диметилантрацену (399 нм), тогда как максимум при 385 нм, соответствующий 1,2-бензантрацену [119], не проявляется. Четырехкратное дифференцирование синхронного спектра флуоресценции позволило существенно улучшить разрешение перекрывающихся полос (рис. 16). Основываясь на измерениях спектров производных четвертого порядка от синхронных спектров флуоресценции индивидуальных соединений и их смеси (см. табл. 2, 7 и рис. 16) можно заключить, что полосы: в спектре производной четвертого порядка при макс=376, 386 и 399 нм принадлежат индивидуальным компонентам: соответственно, антрацену, 1,2-бензантрацену и 9,10-диметилантрацену. Незначительное смещение положения максимума, принадлежащего 1,2-бензантрацену (рис. 16, А,=386 нм) относительно его истинного положения (табл. 2 , А,=385 нм), можно объяснить наложением центрального пика производной четвертого порядка на сателлит соседней полосы [91]. В табл. 8 приведены результаты определения 1,2 бензантрацена (1,5-10"7М) в присутствии 9,10-диметилантрацена. При Я.=386 нм мешающий сигнал производной не превышает 1% от полезной величины.
Влияние тушащих добавок на предел обнаружения микроколичеств урана в растворах люминесцентным методом
Как было показано выше, предел обнаружения урана в виде фосфорнокислых комплексов уранила составлял (3-5)-10 "10 г/мл. В работах [102,115] было показано, что предел обнаружения урана(УІ) зависит от природы лигандов, влияющих на время жизни ионов уранила в возбужденном состоянии. Также известно [59], что предел обнаружения элементов люминесцентным методом зависит от присутствия тушащих добавок. В этой связи важным является установление зависимости предела обнаружения урана новым люминесцентным методом от концентрации посторонних тушащих добавок. В настоящей главе приведены результаты изучения влияния различных тушащих добавок на предел обнаружения урана лазерно-люминесцентным методом в растворах. Как показано выше, возбуждение фосфорнокислых растворов уранила импульсами азотного лазера ЛГИ-21 (337 нм; 7.10"9 с) приводит к возникновению люминесценции комплексов уранила с временем затухания 1,1.10-4 с. Вследствие рассеяния возбуждающего света, а также люминесценции сопутствующих примесей возникает фоновое свечение. Измерения, проводимые на разбавленных растворах уранила в 1 М Н 3РО4 , содержащих 3.10 9 г/мл урана ( концентрация урана, содержащаяся в морской воде [136]), показали, что обнаружение урана достигается прежде всего при условии значительного различия во временах затухания фонового свечения и люминесценции фосфорнокислых комплексов уранила. Как уже говорилось, при использовании накопительного устройства в ходе люминесцентного анализа происходит суммирование импульсов отклика как на фоновое свечение, так и на собственную люминесценцию урана. В результате кинетическая кривая затухания свечения состоит из двух компонентов: по короткоживущего, интенсивного, обязанного фоновому свечению, и относительно долгоживущего, малоинтенсивного, обусловленного люминесценцией уранила (рис.33). Рис.33. Осциллограммы затухания свечения растворов при импульсном лазерном возбуждении. 1 - фоновое свечение в 1М Н3Р04; 2 - фоновое свечение и люминесценция фосфата уранила (3-Ю"9 г/мл) в ЇМ Н3РО4 в присутствии 8-Ю" г/мл NaCl.
Число повторных лазерных импульсов 4096 Измерения, проведенные в настоящей работе, показали, что допустимыми концентрациями тушащих добавок будут такие концентрации, при которых время затухания люминесценции уранила (3-Ю "9 г/мл) не меньше її е =5.10 с. В этой связи было исследовано тушащее действие неорганических ионов (см. табл. 15). Ранее [115, 138] было показано, что тушение флуоресценции уранила происходит в результате диффузионных встреч люминесцирующей молекулы (иона уранила) с молекулой добавки и описывается уравнением Штерна— Фольмера. где kq - константа скорости тушения; т0 и т-времена жизни возбужденного состояния без и в присутствии тушителя [Q] соответственно. На рис. 34 приведены линейные в соответствии с уравнением (16) зависимости т0/т от [Q], полученные из опытов по тушению люминесценции фосфорнокислых комплексов уранила различными тушащими добавками.
Как отмечалось выше, обнаружение урана в концентрации 3-Ю "9 г/мл в виде комплексов уранила с фосфорной кислотой возможно в присутствии тушащих добавок, сокращающих время затухания люминесценции с 1,1-Ю-4 до 5-Ю 5 с. Тогда с учетом уравнения (16) предельная концентрация тушителя -[Qjnpefl может быть найдена из простого соотношения: Ю]пред = (kq ю Г1 (17) В табл. 15 приведены значения [СЙпред для ряда тушителей, найденные по данным kq и то. Выбор тушителей, приведенных в табл. 15, из большого числа возможных тушащих добавок, присутствующих в морской воде, основывался на следующих данных. Известно [139], что значения kq фосфорнокислых комплексов уранила в водных растворах не могут превышать значения константы скорости диффузии KD = 7-Ю 9 М-1 с _1. Следовательно, присутствие тушащих добавок в концентрациях менее 10" М в растворах уранила с концентрацией урана 3-Ю г/мл не может, согласно равенству (17), оказать влияния на предел обнаружения урана. По данным работы [136], большинство соединений присутствуют в морской воде в концентрациях менее 10"6 М и, следовательно, не могут оказывать заметного тушащего действия при люминесцентном определении микроколичеств урана. Таким образом, из рассмотрения таблицы следует, что сильным тушащим действием обладают только хлориды и бромиды (точнее анионы хлора и брома). Определение урана при концентрациях тушителей [( [( пред возможно при разбавлении исходных растворов до значений [Q]«[Q]npefl- Концентрация урана в исходном растворе должна при этом удовлетворять условию : [U] [Q]/a (18) где а=[)]пред/ [U]0, a [U] о — концентрация урана, равная 10-9 г/мл. Полученная нами зависимость предела обнаружения фосфорнокислых комплексов уранила в водных растворах от концентрации тушителей может быть представлена единой линейной зависимостью, изображенной на рис. 35. Рис. 35. Зависимость предела обнаружения урана (cm,-n 0,997) т концентрации тушащих добавок ([Q]/a).
Значения а приведены в табл. 15. - предел обнаружения урана экстракционным методом [141]; + - предел обнаружения урана фотохимическим методом [142] Точки на рис. 35 указывают значения пределов обнаружения урана, определяемого в присутствии ионов Са, Со, Си (II), S042" экстракционным [140] и в присутствии Си (II) фотохимическим [141] методами. Сравнивая полученные нами результаты с данными работ [140, 141], можно утверждать, что лазерно-люминесцентный метод [102] с пределом обнаружения менее 1 нг/мл позволяет определять уран (VI) в растворах в присутствии большого числа тушащих добавок. Известно,что наличие в анализируемых растворах различных добавок, в том числе неорганических ионов, приводит к тушению люминесценции ионов уранила. Предлагались различные механизмы тушения: перенос электрона от молекул тушителей к возбужденным ионам уранила [142-146], перенос энергии от возбужденных ионов уранила на молекулы тушителей [147], интеркомбинационные переходы в ионах уранила, индуцированные тяжелыми атомами и парамагнитными ионами [146], и другие [148]. В большинстве случаев за тушение могут быть ответственны как перенос электрона, так и перенос энергии. Перенос электрона от молекул тушителей к возбужденным ионам уранила может приводить как к индуцированному безызлучательному переходу из возбужденного в основное состояние иона уранила [148], так и к образованию продуктов реакции [142,143,149]. В последнем случае в спектре поглощения наблюдают полосы, относимые к продуктам одноэлектронного окисления тушащей добавки. Данная глава посвящена исследованию тушения люминесценции ионов уранила в водных растворах неорганическими ионами с целью установления возможности межмолекулярного переноса электрона. Кинетические
Лазерно-люминесцентный прибор для определения ПАУ
Лазерно-люминесцентный прибор предназначен для экспрессного определения полиароматических углеводородов, нефти и нефтепродуктов, содержащихся в природных водах и сточных водах и обладающих интенсивным собственным свечением, при комнатной температуре без предварительной подготовки проб. Интервал определяемых концентраций ПАУ составляет 5 . 10" -1-Ю г/мл. Принцип действия прибора основан на накоплении дифференциального аналитического сигнала при периодическом лазерном возбуждении. Прибор работает как в статическом, так и в динамическом режимах Блок-схема прибора, работающего в статическом режиме, представлена на рис. 9 (глава 2). Люминесценцию анализируемых образцов возбуждают о короткими (10" с) интенсивными импульсами, генерируемыми азотным лазером ЛГИ-21 (1) (А,=337нм, мощность 1,3кВт, частота повторения импульсов 100 Гц). Лазерное излучение кварцевыми пластинками (3) направляют через светофильтры УФС-2 (4) в кюветы (5), одна из которых измерительная (5а), другая — кювета сравнения (56). Излучение анализируемых образцов через вторичные светофильтры (6) попадает на фотоумножители ФЭУ-39А (7). В качестве вторичных светофильтров используют ЖЗС6 + СЗС21, позволяющие выделить спектральный диапазон 450 - 500 нм или интерференционные светофильтры с определенной длиной волны в указанной спектральной области. Прибор оснащен блоком аналоговой обработки (8), который выполняет следующие функции: управление работой лазера, которое заключается в синхронном запуске его с системой регистрации; измерение разности выходных сигналов от измерительной кюветы и кюветы сравнения в режиме стробирования; установление времени задержки в интервале 1 - 128 мкс, времени стробирования в интервале ОД - 100 мкс, времени измерения в интервале 10-100 с. Выбор оптимального режима работы прибора зависит от состава анализируемых образцов.
В частности, при анализе питьевой и морской воды время задержки — 3 мкс, время стробирования — 4 мкс, время измерения — 30 с. Результаты измерения поступают на цифровой вольтметр (9), который встроен в блок, включающий в себя источник питания ФЭУ (10) и источник питания блока аналоговой обработки (11). В приборе, работающем в проточном режиме, измерительная кювета и кювета сравнения (см. рис. 9) заменены проточными кюветами (5,11), которые соединены между собой трубопроводом длиной li . Прибор дополнительно снабжен перистальтическим насосом (14), соединенным с измерительной кюветой (5) трубопроводом длиной 10 (рис. 52). Проведенные исследования показали, что для обеспечения экспрессности анализа данным прибором объемы измерительной кюветы и кюветы сравнения (VK ), длины трубопроводов 10 и 1) , площадь сечения трубопровода (s) необходимо выбирать таким образом, чтобы при фиксированной скорости прокачивания исследуемого раствора ( v) время отклика прибора (xj ) (наибольшее значение аналитического сигнала) и время релаксации системы (т) были минимальными. Установлено, что при скорости прокачивания анализируемого раствора v=lмл/сек, значение времени отклика прибора (її) и времени релаксации (т) минимальны, равны соответственно 15 и 120 секунд. Указанные значения Хі и х для данного анализатора являются оптимальными. Следует заметить, что значение х сохраняется при значениях \\ трубопровода в пределах 0,5 -г- 2 метра (рис. 53). Величина 10 при данном времени отклика Xi (15 сек) будет определяться скоростью прокачивания исследуемого раствора и параметрами измерительной цилиндрической кюветы, главным образом, размером радиуса основания кюветы (R). Значение высоты кюветы (h) должно Рис.52 . Блок-схема прибора для определения ПАУ, работающего в проточном режиме: 1 - лазер ЛГИ-21; 2 - генератор импульсов; 3, 9 -кварцевые пластины; 4, 10 - первичные светофильтры (УФС2); 6, 12 — вторичные светофильтры (ЖЗС6 = СЗС21); 5 - измерительная кювета; 11 -кювета сравнения; 7, 13 - фотоумножители (ФЭУ 39 А); 14 -перистальтический насос; 17 - блок аналоговой обработки; 8 - блок питания ФЭУ; 18 - блок регистрации сигналов (цифровой вольтметр). Длину трубопровода от места забора исследуемой воды можно рассчитать по формуле: где .Ті - время получения максимального аналитического сигнала (время отклика), v - скорость подачи потока пробы , VK - объем кювет, s - площадь сечения трубопровода. Длину трубопровода, соединяющего кюветы (її), можно рассчитать по формуле: где т - время релаксации системы, vTp- объем трубопровода соединяющего насос с измерительной кюветой. Таким образом, благодаря наличию в приборе двухлучевой системы, позволяющей увеличить отношение сигнал/шум, а также наличию трубопроводов определенной длины, создается возможность определения следовых количеств ПАУ на фоне интенсивного собственного свечения природных и питьевых вод при комнатной температуре в проточном режиме.
О возможностях прибора можно судить по результатам определения некоторых полициклических ароматических углеводородов (3,4-бензпирена, антрацена, нафтацена, гептацена и др.), растворенных в интенсивно люминесцирующих питьевой и морской водах. Выбор данных ПАУ обусловлен тем, что они являются обязательными компонентами всех типов нефти. Способы приготовления растворов, необходимых для проведения измерений , а также построение градуировочных графиков подробно описаны в главе 5, там же приведены результаты определения ПАУ в различных водах на предлагаемом лазерно-люминесцентном приборе. Результаты характеризуются хорошими воспроизводимостью и правильностью, характерными для люминесцентных методов анализа. При экспрессном контроле за содержанием ПАУ в сложных природных объектах (природные и сточные воды) на уровне ПДК прибор может работать по методологии скрининга [72, 186], которая допускает неправильные положительные результаты, но полностью исключает неправильные отрицательные результаты. Для получения точного результата содержания той или иной примеси все пробы, давшие "положительную" реакцию, могут быть проанализированы любым специфичным методом. Проведенные исследования показали, что дальнейшее снижение пределов обнаружения ПАУ лазерно-люминесцентным методом возможно при использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ). Известно [186-202], что организованные среды, к которым относятся и растворы, содержащие ПАВ, используются для увеличения интенсивности флуоресценции ряда органических соединений. В связи с тем, что ПАВ в водных растворах обладают интенсивным собственным свечением в той же спектральной области, что и полициклические ароматические углеводороды, только использование созданного нами лазерно-люминесцентного прибора с накоплением дифференциального аналитического сигнала позволяет получать нижнюю границу определяемых содержаний ПАУ, равной 5-Ю"11 г/мл в исследуемых растворах (концентрация ПАВ должна равняться 8,1- 10_3М). Созданный лазерно-люминесцентный прибор позволяет осуществлять экспрессный контроль за степенью чистоты воды водоочистительных станций, водохранилищ и различных стадий технологических процессов, а также может быть использован при составлении карт загрязнений различных акваторий нефтью и нефтепродуктами. Прибор прошел успешные испытания в полевых и морских экспедициях Института, был использован для определения особо опасных веществ (гептила) Лазерно-люминесцентный прибор для определения ПАУ защищен патентом России №2065151RU. Награжден бронзовой медалью Всемирной выставки изобретений («EUREKA-97», Брюссель).
