Оптические методы аналитической химии основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, что приводит к изменению интенсивности, спектрального распределения или поляризации света. Эти методы характеризуются высокой чувствительностью, возможностью проведения неразрушающего контроля и широким диапазоном применяемых веществ.
Ключевым понятием является спектроскопия — измерение зависимости поглощения, излучения или рассеяния света веществом от длины волны или частоты. На основе спектроскопических свойств возможно качественное и количественное определение компонентов сложных смесей.
Ультрафиолетовая и видимая спектроскопия (UV-Vis) исследует переходы электронов между энергетическими уровнями. Поглощение света зависит от строения молекул, наличия хромофоров и их концентрации. Закон Бера–Ламберта связывает поглощение с концентрацией вещества и длиной пути света через раствор:
A = ε ⋅ c ⋅ l
где A — оптическая плотность, ε — молярный коэффициент экстинкции, c — концентрация, l — толщина слоя.
Инфракрасная спектроскопия (IR) основана на поглощении инфракрасного излучения колебательными переходами молекул. Каждый тип химической связи имеет характерные частоты колебаний, что позволяет проводить качественный анализ структуры молекул.
Флуоресцентная спектроскопия использует явление испускания света веществом после поглощения энергии. Эмиссия регистрируется при более длинной длине волны, чем поглощение, что обеспечивает высокий сигнал на фоне низкой поглощаемости растворителя.
Рамановская спектроскопия основана на неупругом рассеянии света. Сдвиг энергии рассеянного фотона соответствует колебательным переходам молекулы, что даёт структурную информацию аналогично инфракрасной спектроскопии, но с возможностью анализа водных растворов без сильного поглощения воды.
Динамическое светорассеяние (DLS) применяется для определения размеров коллоидных частиц и макромолекул. Изменения интенсивности рассеянного света во времени позволяют рассчитывать коэффициент диффузии, а затем — гидродинамический радиус частиц.
Фурье-спектроскопия использует интерференцию световых волн для построения спектров с высокой разрешающей способностью. Применение преобразования Фурье позволяет быстро получать спектры поглощения и эмиссии.
Поляриметрия измеряет вращение плоскости поляризации света оптически активными веществами. Величина вращения зависит от концентрации вещества, длины пути и удельной ротаторной способности, что позволяет проводить количественный анализ сахаров, аминокислот и других хиральных соединений.
Оптические методы аналитической химии можно классифицировать по типу взаимодействия света с веществом:
Каждая из этих категорий может подразделяться по принципу детектирования, типу источника света, диапазону длин волн и методике подготовки проб. Такое разделение позволяет оптимально выбирать метод для конкретной аналитической задачи, учитывая чувствительность, селективность и требуемое качество результатов.
Оптические методы широко используются для анализа органических и неорганических веществ, контроля качества продуктов, изучения биомолекул и наноматериалов. Их преимуществами являются быстрота измерений, возможность автоматизации и минимальная инвазивность по сравнению с химическими методами, требующими прореагирования веществ с реагентами.
Высокая точность и воспроизводимость результатов обеспечивают возможность использования оптических методов как в исследовательских лабораториях, так и в промышленных условиях, что делает их неотъемлемым инструментом современной аналитической химии.