Инструментальные методы анализа основаны на измерении физических и химических свойств веществ с использованием специализированных приборов. Они позволяют определить качественный и количественный состав вещества с высокой точностью и воспроизводимостью. Ключевыми параметрами в таких методах являются спектральные характеристики, электропроводность, масса, теплоёмкость, магнитные свойства и электрохимический потенциал. Применение инструментального анализа особенно важно в случаях, когда традиционные химические реакции малоэффективны или невозможны.
Абсорбционная спектроскопия основана на поглощении электромагнитного излучения атомами или молекулами вещества. УФ-видимый и инфракрасный диапазоны широко используются для определения органических и неорганических соединений. В УФ-видимом диапазоне измеряют интенсивность поглощения при различных длинах волн, что позволяет определять концентрацию растворов с помощью закона Бугера–Ламберта–Бера. В инфракрасной спектроскопии изучают колебательные переходы молекул, что даёт информацию о функциональных группах и химической структуре соединений.
Эмиссионная спектроскопия регистрирует излучение, испускаемое атомами или ионами после возбуждения. Наиболее часто используется атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-AES). Метод позволяет определять элементы с низкой концентрацией, включая металлы и редкоземельные элементы. Высокая чувствительность достигается благодаря созданию плазменной среды с температурой порядка 6000–10000 K, что обеспечивает полное возбуждение атомов и ионов.
Флуоресценция используется для изучения молекул, способных излучать свет после поглощения энергии. Основные параметры — интенсивность, длина волны эмиссии и квантовый выход флуоресценции. Метод особенно эффективен для анализа микроэлементов и следов органических веществ в растворах.
Газовая хроматография (ГХ) основана на распределении компонентов смеси между неподвижной фазой (колонкой) и подвижной газовой фазой. Разделение происходит за счёт различий в летучести и взаимодействии с сорбентом. Чувствительность метода возрастает при использовании детекторов с пламенной ионизацией (FID) или масс-спектрометрии (GC-MS). ГХ широко применяется для анализа летучих органических веществ и газовых смесей.
Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ, HPLC) использует жидкую подвижную фазу для разделения компонентов смеси. Основные критерии эффективности — разрешающая способность колонки, скорость потока и температура. HPLC применяется для анализа сложных растворов, включая ионы металлов, органические кислоты и биомолекулы.
Потенциометрические методы основаны на измерении разности электрических потенциалов между электродами. Ключевой показатель — электродный потенциал, который зависит от концентрации ионов в растворе. Применяются ионселективные электроды, позволяющие определять отдельные катионы и анионы с высокой точностью.
Вольтамперометрические методы измеряют зависимость тока от приложенного потенциала. Основные параметры — пик тока, потенциал окисления или восстановления. Метод позволяет выявлять следовые количества металлов и органических веществ, исследовать механизмы электрохимических реакций.
Масспектрометрия позволяет определять молекулярную массу и строение соединений по соотношению масса/заряд (m/z) и интенсивности ионов. Используются методы электронного ионизирования, матрично-адаптированной лазерной десорбции (MALDI) и электроспрей (ESI). Масспектрометрия незаменима для качественного анализа сложных смесей, идентификации неизвестных соединений и количественного анализа микроэлементов.
DSC измеряет разницу в тепловых потоках между образцом и эталоном при нагревании или охлаждении. Метод позволяет определить энергетические характеристики фазовых переходов, термическую стабильность и химическую реакционную способность веществ.
TGA основан на измерении изменения массы вещества при нагревании. Используется для определения термической стабильности, состава смесей и содержания влаги. Метод особенно эффективен для изучения оксидов металлов, солей и полимеров.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) регистрирует поглощение радиочастотного излучения ядрами с магнитным моментом в внешнем магнитном поле. Метод даёт информацию о структуре молекул, химической среде атомов и динамике процессов в растворе. Применяется как для органических, так и для неорганических соединений.
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) исследует неспаренные электроны в атомах или молекулах. Метод позволяет выявлять радикалы, переходные металлы в соединениях и механизмы катализаторов.
Выбор инструментального метода определяется целями исследования, свойствами анализируемого вещества и необходимой точностью. Часто комбинируются несколько методов: спектроскопические для идентификации, хроматографические для разделения компонентов, а массспектрометрия или электрохимия для количественного анализа. Современные аналитические лаборатории используют интегрированные системы, позволяющие проводить комплексный анализ с минимальными трудозатратами и высокой достоверностью результатов.