23 Червня, 2024

ОПТИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ. ІДЕНТИФІКАЦІЯ І ВИЗНАЧЕННЯ ВМІСТУ РЕЧОВИН.

Особливості і області застосування фізико-хімічних методів аналізу.

Всі методи аналізу базуються на використанні залежності фізико-хімічної речовини, яка називається аналітичним сигналом або просто сигналом, від природи речовини і її вмісту в аналізованій пробі. В класичних методах аналізу в якості такої властивості використовується або маса осаду – гравіметричний аналіз, або об’єм реактиву, використаного на реакцію – титриметричний аналіз. Однак хімічні методи не в стані були задовольнити різноманітні запити практики, які особливо зросли як результат НТП і розвитку нових галузей науки, техніки, промисловості. Розвиток всіх галузей і сфери життя поставило перед аналітичною хімією завдання знизити межу виявлення до 10^-5-10^-10%. Тільки при вмісті так званих “ заборонених ” домішок не вищому 10^-5% жаростійкі сплави зберігають свої властивості. Приблизно такий же вміст домішки гафнію допускається в цирконії при використанні його в якості конструкційного матеріалу ядерної техніки. (Спочатку Zr був помилково забракований як конструкційний матеріал цієї галузі саме через забруднення гафнієм.) Ще менший вміст забруднень допускається в матеріалах напівпровідникової промисловості (Si, Ge та ін.). Істотно (суттєво) змінюються властивості металів, вміст домішок яких знаходиться на рівні 10^-5% і менше. Наприклад, хром і берилій стають ковкими і тягучими, вольфрам і цирконій стають пластичними, а не крихкими. Визначення таких малих вмістів графіметричним або титри метричним методом практично не можливе, і тільки застосування фізико-хімічних методів аналізу, які володіють значно більш низькою межею виявлення, дозволяє вирішення цих аналітичних задач.

Другою важливою особливістю фізико-хімічних методів аналізу є їх експресність, високий темп отримання результатів. Сучасні автоматичні квантометри дозволяють отримати результати буквально через декілька хвилин після отримання проби в лабораторії. Сучасна інформація про склад сировини, про ступінь хімічної переробки і т.д. дає можливість технологу активно вмішуватися в хід технологічного процесу і вводити необхідні корективи. Дуже важливе значення має експресність аналізу і в металургійному виробництві, де коректувати склад сталі можна по ходу виплавки в залежності від результатів аналізу, дає великий економічний ефект, знижуючи енергетичні та інші затрати.

Фізико-хімічні методи дозволяють проводити аналіз на відстані. Яскравим прикладом є аналіз місячного ґрунту, виконаний ренгенфлуоресцентним пристроєм безпосередньо на Місяці, визначення складу атмосфери, що оточує планету Венера. Важливе практичне значення має дистанційний аналіз в земних умовах, наприклад, коли аналізуються препарати високої радіоактивності, токсичності, а також при аналізі морських вод на великих глибинах.

Приклади, які застосовують в фізично-хімічних методах аналізу дозволяють автоматизувати сам процес аналізу або окремі його стадії. Автоматичні газоаналізатори контролюють склад повітря в шахтах. Значною мірою автоматизований газовий хроматографічний аналіз в нафтохімічній, коксохімічній та ін. галузях промисловості.

Аналіз за допомогою яких ФХМ може бути виконаний без руйнування аналізованого зразка ( не деструктивний аналіз ), що має велике значення для деяких галузей і промисловості, а також, для криміналістики, медицини і т.д. не деструктивний аналіз може бути виконаний рентгенофлуоресцентним, радіоактиваційним та іншими методами.

Часто практичний інтерес представляє на загальний вміст якого-небудь елемента в пробі, а його розподіл по поверхні зразка – так званий локальний аналіз – визначення елемента в даній “точці” зразка. Цей аналіз має значення в металознавстві та інших областях, де склад окремих включень визначає якість матеріалу, а також в мінералогії, петрографії, криміналістиці, археології та ін. Виконується локальний аналіз рентгеноспектральним методом. Електрони збирають в дуже тонкий промінь діаметром 1 мкм і менше ( електронний зонд ) і направляють його в те місце зразка, локальний аналіз якого необхідно виконати. За характеристиками рентгенівського випромінювання говорять про вміст елементів в “ точці ”. З метою виконання локального аналізу застосовується також техніка лазерної мікроспектроскопії.

Похибка аналізу фізико-хімічними методами становить в середньому 2-5% що перевищує що перевищує похибку класичних методів аналізу (гравіметрричний0,01-0,005%, титриметричний 0,1-0,05%). Однак таке порівняння похибок цілком не цілком коректне, так як відноситься до різних концентраційних областей. При невеликому вмісті визначеного компонента класичні хімічні методи аналізу не придатні, при великих концентраціях фізико-хімічні методи з успіхом конкурують з хімічними, а такі методи як кулонометрія, електрогравіметрія, навіть перевищують їх по точності.

Слід зазначити також, що похибка аналізу фізико-хімічними методами має тенденцію знижувати за рахунок конструювання прецизійних аналітичних приладів і розробки більш досконалих аналітичних методик.

Однак хімічні методи аналізу свого значення не втратили, вони незамінні там, де при високому вмістові необхідна висока точність і немає серйозних обмежень в часі ( наприклад, аналіз готової продукції, арбітражний аналіз, виготовлення еталонів ).

Істотним недоліком більшості ФХМ є те, що для її практичного застосування необхідні еталони, стандартні розчини і градуювальні графіки.

Завданням аналітичної хімії є визначення вмісту тих чи інших речовин в досліджуваній системі найбільш швидкими, точними і раціональними методами. В залежності від поставленої задачі використовується реакція, яка або тільки виявляє їх присутність, або ж дозволяє визначити їх кількість якісним, а в другому – з кількісним аналізом.

Всі використовувані сьогодні методи кількісного аналізу можна в загальному поділити на хімічні, фізико-хімічні, фізичні методи.

Хімічні методи аналізу базуються на хімічних властивостях речовин, на безпосередніх результатах їх здатності приймати участь в якій-небудь специфічній хімічній реакції.

Фізико-хімічні методи аналізу базуються на взаємозв’язку між складом системи і її фізичними та фізико-хімічними властивостями. Рішення аналітичної задачі фізико-хімічними методами звичайно розвивається на наступні етапи:

1. Приготування стандартних розчинів ( систем ), які відрізняються один від одного тільки вмістом визначуваної речовини.

2. Кількісна оцінка ( вимірювання величини ) деякої властивості системи для кожного із стандартних розчинів.

3. Графічний вираз встановленої залежності ( побудова калібрувального графіку ) в координатах: концентрація визначуваної речовини ( по осі абсцис ) – числове значення даної властивості ( по осі ординат ) .

4. Вимірювання вибраної властивості для досліджуваного розчину і визначення його концентрації по калібрувальному графіку.

Функціональна залежність між чисельним значенням даної фізичної чи фізико-хімічної властивості системи і вмістом аналізованої речовини може бути виражена графіком або формулою. Якщо всі члени формули відомі, то результат аналізу може бути встановлений не графічним, а розрахунковим шляхом.

ФХМ класифікують відповідно до вимірюваних властивостей систем:

В оптичних методах аналізу використовується зв’язок між оптичними властивостями систем:

1) світло поглинанням 1) фотометричний

2) світлорозсіюванням 2) нефелометрія, турбідометрія

3) заломлення світла 3) рефрактометрія

4) обертанням площини поляризації 4) поляриметрія

плоскополяризованого світла

5)вторинним свіченням речовини — 5)люмінесцентний аналіз

і її складом.

В електрохімічних методах аналізу використовують:

1) вимірювання електропровідності 1) кондуктометрія

розчинів

2) вимірювання речовин електродних 2) потенціометрія

потенціалів

3) спостереження за процесом полери- 3) полярографія

зації мікро електрода

4) кількісне електролітичне виділення 4) електрогравіметрія

визначуваної речовини

5) вимірювання кількості електрики 5) кулонометрія

використаної при кількісному еле-

ктрохімічному перетворенні речовин.

Поряд з оптичним і електрохімічними методами до числа найважливіших фізико-хімічних методів аналізу слід віднести хроматографію. Основою хроматографії всіх видів є використання відмінностей в характері розподілу різних речовин між двома фазами. Велике значення мають сорбцій ні методи, які базуються на відмінностях в сорбції речовин, різних за складом і будовою. Особливе значення хроматографія має як універсальний метод розділення речовин і їх концентрування. Концентрування робить доступним визначення зникаюче малих кількостей речовин.

Окремим напрямком фізико-хімічних методів аналізу є методи, які базуються на залежності швидкості реакції від концентрації реагуючої речовини. Вони тому і називаються кінетичними методами аналізу. Вимірювання швидкості реакції використовуються тут для встановлення концентрації досліджуваного компонента. Чутливість кінетичних методів аналізів надзвичайно висока. Використання кінетичних реакцій дозволяє встановлювати вміст мільйонних частинок мікрограма в мілілітрі розчину.

Отже, до ФХМА належать:

n спектральні та інші оптичні методи;

n електрохімічні методи;

n хроматографічні методи;

n кінетичні ( каталітичні ) методи.

До фізичних методів аналізу можна віднести такі методи, в яких визначення елемента базується на властивостях його атомів і ядер. До них належать, наприклад, емісійний.

1. спектральний аналіз, який використовує однозначну відповідь між будовою атома даного елемента і хвильовим складом світлового випромінювання збуджених атомів – спектром елемента.

Сюди ж слід віднести:

2. радіометричні методи аналізу, які зв’язані з вимірюванням інтенсивності радіоактивності досліджуваного зразка – наслідком самовільного розпаду або спонтанного ділення ядер атомів деяких елементів.

Дуже важливе значення має тут так званий:

3. активаційний аналіз, який базується на виникненні штучної радіоактивності при опроміненні досліджуваного зразка потокам заряджених частинок речовин або потокам нейтронів.

Цей метод визначається найвищою чутливістю. Для короткоживучих ізотопів мінімальна визначу вальна кількість становить 10^-12– 10^-14речовини.

До ФМА належать також мас-спектрометричний аналіз. Який базується на ідентифікації стабільних і радіоактивних ізотопів елементів у відповідності з відмінностями в їх масі.

Отже, до ФМА належать:

n емісійний спектральний

n радіометричний

n активаційний

n мас-спектроетричний

Чутливість і селективність, правильність і відтворюваність

інструментальних методів аналізу.

Чутливість методів визначається двома методами:

n інтенсивністю вимірюваної фізичної властивості;

n чутливістю детекторів сигналу в приладі для інструментального аналізу.

Мало інтенсивними властивостями є, наприклад, ряд оптичних властивостей – заломлення променя світла і обертання площини поляризації світла, в наслідок чого рефрактометрія і поляриметрія мають низьку чутливість і застосовується при аналізі порівняно концентрованих розчинів речовин.

Високу інтенсивність можуть мати ( в залежності від типу речовин ) поглинання світла розчинами речовин, лінії в емісійному спектрі елементів, флюоресценція, радіоактивність і ряд інших властивостей. В зв’язку з цим відповідні види інструментального аналізу володіють високою чутливістю. Висока чутливість багатьох методів пояснюється властивостями застосовуваних детектору сигналу в приладах. Наприклад, сучасні фотопомножувачі реагують на світлові потоки з дуже малою інтенсивністю, а радіометричні лічильники – на окремі елементарні частинки. Електрохімічні методи ( полярографія, кулонометрія 0 мають високу чутливість завдяки застосуванню високочутливих реєстраторів струму і потенціалу.

Чутливість деяких інструментальних методів аналізу:

Метод Межа виявлення

Фотометрія 1 × 10^-6

Флюорометрія 1 × 10^-10

Полярографія 1 × 10^-8

Еміс. спектр. аналіз 1 × 10^-10

АА аналіз 1 × 10^-10

Газова хромостографія 1 × 10^-11

Радіоізотопний аналіз 1 × 10^-15

Мас – спектрометрія 1 × 10^-12

Кулонометрія 1 × 10^-10

Кінетичний аналіз 1 × 10^-11

Високочутливі методи аналізу застосовують при аналізі мікро компонентів сумішей, продуктів руйнування речовин, домішок до них. Особливо велике значення вони мають в напівпровідниковій промисловості, при виробництві особливо чистих речовин, в дослідженнях біологічних об’єктів і т.д.

Важливою перевагою багатьох інструментальних методів є їх висока вибірковість – селективність. Ряд інструментальних методів, н-д, рефрактометрія, інтерферометрія, неселективні і використовуються в тих випадках, коли аналізуються або індивідуальні речовини, або нескладні суміші ( з 2-3 речовин. ). Висока селективність притаманна методам, які базуються на характерних властивостях молекул, функціональних угрупувань, атомів, які володіють емісійними й абсорбційними властивостями, радіоактивністю, здатністю до електрохімічного відновлення або окислення. Наприклад, по лініях емісійного спектра виявляють і визначають практично всі елементи при їх сумісній присутності. Ці методи широко застосовуються в промисловості, сільському господарстві, медицині, при аналізі матеріалів складного складу.

Правильність інструментальних методів аналізу залежить від того, наскільки властивість адекватно відображає склад і зв’язана ним строго визначеними закономірностями. Закономірності, які зв’язують властивість і склад, встановлюють експериментально. Тому при проведені інструментального аналізу попередньо проводять калібровку аналітичних приладів і виявлення залежності фізичних властивостей від складу. Ці завдання вирішуються за допомогою стандартних зразків.

Стандартним зразком називають речовини і матеріали, які мають постійний склад і властивості. Наприклад, в потенціометрії застосовують стандартні буферні розчинники з постійним значенням рН-метри, в спектрофотометрії по стандартам речовин буде калібрувальний графік, який використовується потім для інтерпретації результатів вимірювань досліджуваного зразка. Застосування стандартів дозволяє отримати правильні результати аналізу.

На відтворюваність інструментальних методів крім загальних причин ( точності вимірювання, зважування та ін. )впливає стабільність роботи аналітичного приладу. Останнє залежить від постійності напруги електроживлення приладів, стабільності роботи детекторів. Постійність напруги електромережі забезпечують стабілізатори напруги, від яких йде живлення приладів. Стабільність роботи детекторів ( фотоелементів, термоелементів та ін.) підвищують різницевими ( диференціальними ) способами вимірювань. Диференціальна схема вимірювань передбачає використання двох детекторів – стандартного і вимірювального, реєструють в цих схемах різницевий сигнал. Іноді диференціальний спосіб здійснюють одним детектором, вимірюючи спочатку сигнал стандартного, потім досліджуваного зразка. Наприклад, в фотоколориметрах використовують два фотоелемента, на один із них поступає світловий промінь, який пройшов через розчинник або стандарт, на другий – через розчин визначуваної речовини. Різницевий сигнал фотоелементів посилюється і реєструється. В однопроменевих спектрофотометрах застосовують один фотоелемент.

У світловий потік спочатку вводять кювету з розчинником і проводять електричний сигнал фотоелемента до нуля, потім вимірюють поглинання розчину визначуваної речовини, отримуючи на шкалі приладу різницеві покази, зв’язані тільки з кількістю визначуваної речовини.

Для отримання точних результатів на приладі виконують не менше 3-5 вимірювань зразка, потім її обробляють методами математичної статистики. Точність інструментальних методів сильно коливається в залежності від методу. Найбільш високою точністю ( до 0,01% ) володіє кулонометрія, точність в межах 2-5% має більшість прямих інструментальних методів. Інструментальне титрування за своєю точністю порівнюється з хімічним титруванням (0,1% ).

Основні прийоми ФХМА.

Майже в усіх ФХМА застосовують два основних методичних прийоми: метод прямих вимірювань і метод титрування.

Прямі методи. В цих методах використовується залежність аналітичного сигналу від природи аналізованої речовини і її концентрації.

Властивістю, що залежить від природи речовини, є, наприклад, довжина хвилі спектральної лінії в емісійній спектроскопії, потенціал півхвилі в поліграфії, а кількісною характеристикою служить інтенсивність сигналу – інтенсивність спектральної лінії в першому випадку, сила дифузійного струму – у другому. В окремих методах зв’язок аналітичного сигналу з природою речовини встановлена строго теоретично. Наприклад, лінії спектра атома водню можуть бути розраховані по теоретично введених формулах з використанням фундаментальних констант ( постійна планка, заряд електрона і т.д. )

При якісному аналізі спостерігається сигнал, наприклад, яка з очікуваних довжин хвиль з’явиться у пробі, а при кількісному вимірюванні інтенсивність сигналу. Зв’язок інтенсивності аналітичного сигналу І з концентрацією речовини має різну природу. Але часто ця залежність виражається простим рівнянням:

І = А × С

А – константа, С – концентрація.

В аналітичній практиці найбільшого поширення набули наступні методи прямого кількісного визначення за допомогою ФХ вимірювань:

1) метод градуювального графіка;

2) метод порівняння;

3) метод добавок;

4) метод аналітичних факторів

1. В цьому методі вимірюється інтенсивність аналітичного сигналу І в декількох стандартних зразках або декількох стандартних розчинів і будується градуювальний графік частіше в координатах I =f ( C ), де С – концентрація визначеного компонента в стандартному зразкові. Потім в тих же умовах вимірюється інтенсивність сигналу в аналізованій пробі і по градуювальному графіку знаходиться концентрація аналізованого розчину. Інтервал концентрації на градуювальному графіку повинен охоплювати передбачувану область аналізованих концентрацій, а склад стандартного зразка або розчину повинен бути близьким до аналізованого.

2. Ще називається метод порівняння або метод стандарту. Використовується в тих випадках, коли лінія залежності склад – властивість має прямолінійний характер і проходить через початок осей координат.

3. Метод добавок. Спочатку вимірюють інтенсивність аналітичного сигналу проби, потім в пробу вводиться відомий об’єм стандартного розчину до концентрації. Сст і знову вимірюється інтенсивність сигналу. Якщо Іх – інтенсивність аналітичного сигналу проби, а Іх+ст — інтенсивність сигналу після добавки стандартного розчину.

При виконані аналізу одиничних зразків невідомого складу значні труднощі представляє виготовлення необхідних зразків порівняння і врахування можливих міжлементни впливів. В такому випадку зручно виготовити зразки порівняння на основі самої аналізованої проби. Аналізовану пробу ділять на n порцій і в ( n – 1 ) порції водять визначуваний елемент в послідовно зростаючій кількості. Побудувавши залежність інтенсивності аналітичної лінії від добавки, можна екстраполювати цю залежність до нуля і знайти концентрацію елемента у вихідній пробі.

Це справедливо лише тільки при відсутності політичного фонду. Метод добавок практично вільний від впливу матричних ефектів, якщо при введені добавок забезпечена ідентичність хімічної форми визначуваного елемента в пробі і у введеній добавці. Тому його часто застосовують при аналізі проб невідомого складу.

Метод добавок застосовують також для незалежного контролю правильності результатів аналізу, отриманих за допомогою спеціально підготовлених зразків порівняння.

5) метод аналітичних факторів ( показників ). Цей метод базується на використанні чисельних значень властивості, що відповідає одиниці концентрації речовини. Аналітичні фактори використовують в розрахунках при строгому дотриманні визначених закономірностей, які зв’язують характеристику властивості речовини з її концентрацією в розчині. Такі закономірності встановлені, наприклад, в рефрактометрії, поляриметрії, спектрофотометрії та ін. Застосовують два види аналітичних факторів:

n молярні показники Fm – відповідають молярній концентрації речовини ( моль/дм 3) ;

n питомі показники F% – відповідають процентній концентрації речовини.

Розрахунок концентрації при використанні аналітичних факторів значно спрощується: вимірюють властивість розчину і ділять на її фактор. При цьому отримують концентрацію речовини в розчині у відповідних одиницях:

C = I/Fm [ моль/дм. ]

C = I/F% [ % ]

Непрямі методи (або методи титрування). В цих методах в ході титрування змінюється інтенсивність аналітичного сигналу І і будується крива титрування I – V, де V — об’єм доданого титранта, в мл. Т.е. знаходиться на кривій титрування.

Розрізняють:

n інтегральні криві – на графіку відкладаються значення по кривій титрування.

n Диференціальні криві – на графіку відкладається різниця інтенсивності сигналу між двома послідовними змінами властивості. Інтенсивність сигналу може бути пов’язана з концентрацією визначуваної речовини, титранта або продукта реакції. Тому вигляд кривих дуже різний.

Оптичні методи аналізу

Оптичні методи аналізу базуються на взаємодії речовин з електромагнітним випромінюванням. Залежно від характеру цієї взаємодії розрізняють такі методи:

1. Абсорбційний метод аналізу – ґрунтується на здатності речовин поглинати електромагнітне випромінювання. До нього належать:

а) колориметричний метод аналізу – ґрунтується на візуальному порівнянні кольору або інтенсивності забарвлення стандартного та досліджуваного розчину;

б) фотоелектроколориметричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні світлопоглинання у видимій частині спектру речовинами (іонами) за допомогою приладів (фотоелектроколориметрів) із спрощеним способом монохроматизації;

в) спектрофотометричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні поглинання монохроматичного світла речовинами (іонами) в ультрафіолетовій (УФ), видимій чи інфрачервоній (ІЧ) частинах спектру;

г) атомно-абсорбційний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні поглинання монохроматичного світла атомами речовин, що знаходяться в газоподібному стані.

2. Нефелометричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні інтенсивності розсіяного світла (вимір віддзеркаленого потоку світла); застосовується для неоднорідних систем.

3. Турбодиметричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні каламутності системи, що зумовлена розсіюванням світла завислими речовинами (вимір у потоці світла, що проходить); застосовується для аналізу суспензій, емульсій, каламутних розчинів.

4. Рефрактометричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні показника заломлювання світла розчином.

5.Люмінесцентний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні випромінювання, що з’являється в результаті виділення надлишку енергії збудженими атомами аналізованої речовини.

6. Емісійний спектральний метод аналізу – ґрунтується на дослідженні світла, що випромінюється газоподібними атомами речовини.

Фотометричний метод аналізу

Фотометричний метод аналізу має поширене застосування для визначення концентрації речовин (іонів) у воді чи інших розчинниках. Він грунтується на вимірюванні інтенсивності поглинання електромагнітного випромінювання різних ділянок спектру однорідною системою і об’єднує під єдиною назвою методи 1 а-в.

Головними характеристиками електромагнітного випромінювання є довжина хвилі (), частота коливання () та енергія (Е). Електромагнітні випромінювання різної довжини хвилі (коливань) складають електромагнітний спектр. Залежно від довжини хвилі (, нм = 10^-9 м) розрізняють такі діапазони електромагнітного спектру: ультрафіолетовий (УФ) – 200-400 нм, видимий – 400-700 нм, інфрачервоний (ІЧ)- > 700 нм. Кожна однорідна система має властивість вибірково поглинати випромінювання певної довжини хвилі. Найкраще це спостерігається на системах, поглинаючих випромінювання видимої ділянки спектру. Колір будь-якого забарвленого розчину є додатковим до кольору випромінювання, що поглинається.

Фотометричне визначення речовин (іонів) у розчинах складається з двох етапів:

1. Проведення фотометричної реакції, мета якої – переведення досліджуваного компоненту в забарвлену речовину, що поглинає електромагнітне випромінювання певної довжини хвилі. Для цього до розчину компоненту, який визначають, додають певний реагент, що утворює з компонентом забарвлену речовину ( за хімічною природі, як правило, це або комплексна сполука, або продукт окислювально-відновної реакції).

2. Вимірювання інтенсивності поглинання електромагнітного випромінювання (світлопоглинання) забарвленим розчином.

Вимірювання світлопоглинання можна виконати різними методами:

а) колориметричний метод базується на візуальному порівнянні кольору (інтенсивності забарвлення) розчину, що досліджують, з кольором (інтенсивністю забарвлення) серії стандартних розчинів з відомою концентрацією. При цьому забарвлений розчин поглинає суцільне випромінювання немонохроматичної видимої ділянки спектру;

б) спектрофотометричний метод базується на вимірюванні інтенсивності монохроматичного світла в УФ-, видимому чи ІЧ- діапазонах спектру;

в) фотоелектроколориметричний метод базується на вимірюванні інтенсивності світлопоглинання забарвленим розчином видимої частини спектру за допомогою приладів із спрощеним способом монохроматизації – фотоелектроколориметри (ФЕК, ЛМФ).

Головний закон світлопоглинання

Практичне застосування фотометричного методу визначення концентрації речовин (іонів) у розчинах ґрунтується на головному законі світлопоглинання Бугера-Ламберта-Бера.

При проходженні монохроматичного світла з інтенсивністю () крізь шар однорідного розчину з товщиною () і концентрацією поглинаючих світло часток (С) частина світла поглинається (), розсіюється () та відбивається від стінок посуду (), тому інтенсивність світла, що пройшло (), менша, ніж , тобто

Величини і достатньо малі (у порівнянні з ), тому їх значеннями можна знехтувати. Тоді

Зменшення інтенсивності світла, що проходить крізь розчин, підкоряється закону Бугера –Ламберта- Бера:

^–С,

де – інтенсивність падаючого світла;

– інтенсивність світла, що пройшло крізь шар розчину;

e – молярний коефіцієнт поглинання або молярний коефіцієнт екстинції, л/ моль· см, що характеризує власні властивості речовини поглинати світло певної довжини хвилі, залежить від природи речовини, довжини хвилі, температури й не залежить від концентрації;

С – молярна концентрація поглинаючої речовини, моль/л;

– товщина поглинаючого шару (товщина кювети), см.

У логарифмічній формі рівняння (1) має вигляд

–eС або eС.

Здатність розчинів пропускати монохроматичне світло характеризується коефіцієнтом пропускання або просто пропусканням (Т) і розраховується як

(у долях) або .

Здатність розчинів поглинати світло характеризується оптичною густиною (D) і розраховується як

Беручи до уваги рівняння (2) і (4) отримуємо рівняння закону Бугера-Ламберта- Бера у формі, придатній для практичного застосування

D = eC.

Закон Бугера-Ламберта-Бера: оптична густина розчину з певною товщиною поглинаючого шару прямо пропорційна концентрації розчину.

Графічно залежність D від С має вигляд прямої, що проходить через початок координат.

Закон Бугера-Ламберта-Бера придатний для застосування при виконанні таких умов і обмежень:

1. Світло повинно бути монохроматичним, а його потік паралельним.

2. Закон придатний тільки для розбавлених розчинів (< 0,01М).

3. Температура вимірювань має бути незмінною.

4. При даній довжині хвилі повинні поглинати тільки частки одного виду, тобто при зміні концентрації, в розчині не повинні проходити побічні реакції (гідроліз, дисоціація, асоціація, тощо), які приводять до паралельного утворення продуктів, що поглинають світло.

Практичне вимірювання поглинання світла

Вимірювання пропускання Т або поглинання (D) проводять за допомогою абсорбційних приладів – фотоелектроколориметрів (ФЕК і ЛМФ) у видимій частині спектру і спектрофотометрів – у УФ-, видимій – і- ІЧ – частинах спектру. Ці прилади мають схожу конструкцію і відрізняються тільки способом монохроматизації. Головними конструктивними вузлами цих приладів є:

1. Джерело випромінювання. Залежно від робочого діапазону приладів і цілей дослідження розрізняють такі джерела випромінювання:

а) лампа розжарювання – застосовується в діапазоні хвиль 350-3500 нм;

б) воднева лампа – застосовується в діапазоні хвиль 220-350 нм.

2. Система лінз, дзеркал, діафрагм – потрібні для створення паралельності потоку випромінювання.

3. Монохроматор – пристрій для вибіркового виділення потоку світла певної довжини хвилі (монохроматизація). У фотоелектроколориметрах для монохроматизації використовують скляні абсорбційні світлофільтри, що здатні вибірково пропускати випромінювання досить вузької ділянки спектру нм). У спектрофотометрах використовують монохроматори, які дають більш високий ступінь монохроматизації ( нм), – це диспергуючі призми або дифракційні гратки.

4. Оптика. При роботі у видимій і ближній ІЧ – частинах спектру всі оптичні деталі й кювети скляні. При роботі в УФ- частині спектру застосовують кварцеву оптику і кювети.

5. Фотоелемент (приймач випромінювання) – використовується для перетворення енергії світла в електричну енергію. Це металічна пластина, на яку напиляють шар напівпровідника (селен, сірчисте срібло). Потік світла, що падає на фотоелемент, збуджує в ньому електричний струм (фотострум). Сила фотоструму пропорційна інтенсивності потоку світла.

6. Прилад-індикатор (міліамперметр) – для реєстрації фотоструму. Шкала міліамперметра градуйована в одиницях пропускання Т.

Вимірювання пропускання Т абсорбційними приладами грунтується на порівнянні сигналу від розчину, що досліджується, з сигналом від розчину, світлопоглинання якого дорівнює нулю (розчин порівняння).

Залежності від способу вимірювання розрізняють одно – і двопроменеві прилади.

Принцип вибору світлофільтра

При вимірюванні світлопоглинання надзвичайно важливим є правильний вибір світлофільтру. Кожен світлофільтр має власну криву пропускання (рис.2) і характеризується двома сталими для кожного світлофільтру параметрами (вказуються в паспорті світлофільтру): а) –ефективна довжина хвилі, при якій пропускання максимальне ; б) () – полуширина пропускання – це інтервал хвиль, при якому пропускання світла дорівнює 50%.

Т,% D D

100

l₁l _еф l₂ l, нм l_max l, нм l_max l, нм

Рис.2. Спектр пропускання Рис.3. Спектр поглинання Рис.4.Спектри поглинання:

світлофільтру. розчину. 1-розчин; 2-світлофільтр.

Кожна речовина характеризується своїм спектром поглинання D = f()-рис. 3. Положення максимуму спектру поглинання ( ), характер і вид спектру є важливими оптичними характеристиками речовини. У забарвлених речовин лежить у видимій частині спектру.

Принцип вибору світлофільтра: світлофільтр для кожного розчину вибирають таким чином, щоб максимальне поглинання розчином речовини (D) співпадало з максимальним пропусканням (Т) чи мінімальним поглинанням (D) світла цієї ж довжини хвилі світлофільтром (рис.4)

Проведення вимірів на приладі ЛМФ-72 М

При проведенні фотометричних вимірів потрібно дотримуватися певних умов і застережень:

– кювети повинні бути чистими, зовнішні стінки сухими; до робочої поверхні кювети (нижче рівня розчину) не можна доторкатися пальцями; перед заповненням кювети обов’язково ополоскують розчином, що досліджують;

– кювети заповнюють до такого рівня, щоб увесь потік випромінювання проходив крізь шар розчину;

– кювети встановлюють у кюветну камеру завжди однаковим способом – щоб уникнути помилок, пов’язаних з розсіюванням і віддзеркалюванням світла;

– вимірювання виконують тільки при щільно закритій кришці кюветної камери;

– товщину кювети вибирають таким чином, щоб значення оптичної густини, яку вимірюють, вкладалося в оптимальний інтервал 0,1-1,0. Оскільки D = eC, то збільшення товщини кювети () відповідно приводить до зростання чутливості визначення D. Однак, кювети повинні мати товщину не більшу за 5 см, бо із зростанням товщини збільшуються втрати світла на розсіювання.

фотометра ЛМФ-72 М:

1- кнопка включення;

2- індикатор включення;

3- кнопка включення режиму ”флуориметрія”;

4- кнопка включення поширювача шкали;

5- ручка точного встановлення нуля (”встановлення нуля, точно”);

6- ручка грубого встановлення нуля (”встановлення нуля, грубо”);

7- ручка встановлення шкали (встановлення ”100”);

8- ручка переключення роду робіт (”рід роботи”);

9- ручка переміщення кювет;

10- ручка точного встановлення чутливості (”чутливість, точно”);

11- ручка грубого встановлення чутливості (”чутливість, грубо”);

12- шкала мікроамперметра;

13- номограма для перерахунку пропускання в оптичну густину;

14- щілина для встановлення світлофільтра;

15- кришка кюветної камери.

Підготовка до роботи приладу

1. Включити прилад (рис.5) і прогріти його протягом 30 хв.

2. Встановити потрібний світлофільтр так, щоб його дзеркальна поверхня була з лівого боку.

3. Перекрити оптичний канал, для цього ручку 8 ”Рід роботи” висунути до упору на себе.

4. Ручку 6 ”Встановлення 0, грубо” обертанням за годинниковою стрілкою, а ручки 10 і 11 ”Чутливість, грубо” точно обертанням проти годинникової стрілки вивести в крайні положення.

5. Встановлення нуля – ручкою 5 ”Встановлення нуля, точно” стрілку приладу встановити на нуль.

6. Встановлення 100 – ручку 8 ”Рід роботи” засунути до упору від себе ручкою 7 ”Встановлення 100” стрілку приладу встановити на позначку 100.

7. Натиснути кнопку 4 ”Поширювач шкали” і ручкою 6 ”Встановлення нуля, грубо” встановити стрілку приладу на позначки 20 або 25.

8. Ручками 10 і 11 ”Чутливість, грубо” встановити стрілку прибору на позначку 100.

Вимірювання пропускання розчинів

Маніпулювання при встановленні чи вийманні кювет з кюветної камери проводять тільки коли стрілка прибору встановлена на нулі, тобто оптичний канал перекрито – в противному разі фотоелемент приладу може згоріти.

1. Робота проводиться при вимкнутих кнопках ”Поширювач” і Флуорометр”.

2. У кюветну камеру ( ручка 8 ”Рід роботи” всунута до упору і прибор показує нуль) встановлюють дві кювети – одна кювета з досліджуваним розчином (правий тримач), друга – з розчином порівняння – лівий тримач.

3. По кюветі порівняння виставляють спочатку нуль, а потім 100.

4. Ручкою переміщення кювет, кювету з розчином, який досліджують, вводять в оптичний канал і по шкалі приладу визначають пропускання розчину Т.

5. За номограмою, що закріплена на приладі, переводять пропускання Т в оптичну густину D.

Способи визначення концентрації речовин

1. Метод градуювального (калібрувального) графіка

– готують 4-6 стандартних (еталонних) розчинів з відомою концентрацією досліджуваної речовини С ;

– при певних світлофільтрі й товщині кювети вимірюють оптичну густину кожного стандартного розчину відносно розчину порівняння, а також розчину, який досліджують (D_x);

– для стандартних розчинів будують градуювальний графік залежності оптичної густини від концентрації D=f (C) (рис. 6) і по D_x знаходять C_x .

Примітка. Як розчин порівняння можна використовувати:

– розчинник (наприклад, дистильована вода);

– розчинник з реактивами, окрім компоненту, що визначають;

– досліджуваний розчин без реагентів.

Інтервал концентрацій стандартних розчинів має бути таким, щоб концентрація розчину, який досліджують, знаходилася в його середині, а значення оптичної густини було в межах 0,1-1,0 ( менше помилка, максимальне відтворення).

2. Метод порівняння оптичної густини стандартного розчину (D_ст) і розчину, який досліджують (D_x )

Цей метод розрахунку концентрації речовин застосовується лише тоді, коли відомо, що закон Бугера-Ламберта-Бера виконується безперечно:

– проводять вимір оптичної густини стандартного розчину (D_ст) і розчину, який досліджують (D_x):

D_ст = eC_ст

D_x = eC_x

Якщо = const і e = const, то

3. Метод домішок

Цей метод застосовують для врахування впливу домішок:

– визначають оптичну густину (d_x) розчину речовини з концентрацією С_x_;

– додають до розчину відому кількість цієї ж речовини (С_х+ст ) і знову визначають оптичну густину (D_{х + ст} ).

оптична густина розчину, який досліджують,

D_x = eC_x.

Оптична густина розчину із стандартною домішкою

D_{х + ст} = e (C_х + C_ст ).

Тоді

Оптичні методи дослідження медико-біологічних систем Поляризація світла

Видиме світло представляє собою електромагнітні хвилі з довжиною від 400 до 700 нм і являє собою поперечні хвилі, так як напрям коливання векторів напруженості електричного і магнітного полів перпендикулярні до швидкості поширення світла і один до одного.

Розрізняють світло природнє і поляризоване.

Світло, у якого вектор напруженості електричного поля змінює свою орієнтацію у просторі, називається природнім. Це зумовлено тим, що ми одночасно спостерігаємо випромінювання величезної кількості атомів. Джерелами світла являються Сонце, лампи розжарення, випромінювання нагрітого тіл і т.д. Світло, у якого вектор напруженості електричного поля не змінює своєї орієнтації у просторі називається поляризованим.

Площину, що проходить через вектор напруженості електричного поля і вектор швидкості світла називають площиною поляризації. Світло може поляризуватися при відбиванні, заломленні і розсіюванні. Око людини не відрізняє поляризованого світла від природнього, тому для дослідження поляризації світла використовують поляризаційні прилади – поляриметри.

До природних кристалів, поляризуючих світло, відноситься турмалін. Природній промінь, проходячи через пластинку турмаліну (рис. 6.2) вирізану паралельно оптичній осі кристалу, що являє собою напрямок відносно якого атоми (чи іони ) кристалічної гратки розташовані симетрично (в деяких кристалах таких напрямків може бути два) повністю поляризується. Якщо за пластинкою 1 розташована інша пластинка турмаліну 2, яка орієнтована так, що її оптична вісь перпендикулярна оптичній осі пластинки 1, то через другу пластинку промінь не пройде, так як коливання вектора напруженості електричного поля будуть перпендикулярні до головної площини пластинки 2, тобто площині, що містить оптичну вісь і промінь

Якщо ж оптичні осі пластинок 1 і 2 складуть кут , відмінний від 90^0,то світло(промінь) проходитиме через пластину 2. Проте, як видно з рис. 6.3, амплітуда світлових коливань, що пройшли через пластину 2, буде меншою від амплітуди світлових коливань, падаючих на пластинку:

Так як інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди світлових коливань, то

де – інтенсивність світла падаючого на пластинку 2,

– інтенсивність світла, що проходить через пластинку.

Співвідношення називається законом Малюса.

Пластинка 1, що поляризує природне світло, називається поляризатором, а пластина 2, за допомогою якої змінюється інтенсивність поляризованого світла – аналізатором. Прилад, що складається з поляризатора і аналізатора, являє собою поляриметр.

Найчастіше для отримання поляризованого світла використовують явище подвійного променезаломлення. При цьому явищі відбувається роздвоєння світла на два промені (звичайний і незвичайний), що йдуть у різних напрямках. Промені внаслідок анізотропії кристалів, поширюються з різними швидкостями.

Для отримання поляризованого світла, необхідно розвести звичайний і незвичайний промені на певний кут. Це досягається особливістю будови поляризатора.

У роботі поляризатором служить призма Ніколя, що являє собою 4-х гранну призму, що складається з двох 3-х гранних призм, виготовлених з монокристалів ісландського шпату і склеєних канадським бальзамом.

Природнє світло падаючи на грань АВ призми із ісландського шпату, зазнає подвійного променезаломлення, утворюються звичайний і незвичайний промені, які падають на грань АС – межі двох середовищ: ісландського шпату і канадського бальзаму, речовини з меншим показником заломлення ніж у ісландського шпату; крім того кут падіння звичайного променя більший, ніж у незвичайного і більший від граничного кута повного внутрішнього відбивання для ісландського шпату. Оскільки кут падіння незвичайного променя на грань АС менший від граничного кута повного внутрішнього відбивання, промінь проходить шар канадського бальзаму і заломлюючись у призмі АСD виходить із Ніколя повністю поляризованим. Тому звичайний промінь зазнає повного внутрішнього відбивання, попадає на грань ВС і там поглинається чорною фарбою, що її покриває.

Це явище використовується у волоконній оптиці, яка надає можливість ефективної передачі випромінювання із однієї точки до іншої. Волокно, виготовлене з скла чи пластика з показником заломлення , покривають оболонкою з іншого матеріалу з показником заломлення _.

Пластикове і скляне волокно може пропускати більш ніж 60% випромінювання хвиль оптичного діапазону. Так як окреме волокно з діаметром від 10 до 100 нм може використовуватись для фокусування на дуже малій площі, то для дослідження великих об’єктів застосовуються пучки волокон (світоводи), що складаються з сотень волокон.

Найважливішим прикладом застосування світловодів являється їх примінення в ендоскопах (трубках для огляду внутрішніх поверхонь шлунку, кишківника і т.п.). Типовий ендоскоп має довжину 1м діаметр 1см. До ендоскопів можна прикріпити візуальний пристрій, за допомогою якого можна реєструвати рухомі зображення. Під час ендоскопії використовують лазеро-терапію, плівкоутворюючі препарати.

При проходженні поляризованого світла через певні середовища площина коливань вектора повертається на деякий кут . Це явище називається явищем повороту площини поляризації і обумовлене структурою речовини, будовою молекул. Речовини, що здатні повертати площину поляризації, називаються оптично-активними речовинами. Розрізняють “праве” і “ліве” обертання площини поляризації. Напрям обертання визначають по відношенню до спостерігача, який дивиться назустріч променю. Якщо обертання площини поляризації відбувається по напрямку (проти) годинникової стрілки, то обертання називається правим (лівим), а сама речовина правообертаючою (лівообертаючою).

Величина кута повороту площини поляризації пропорційна довжині ходу променя у речовині, а для розчину ще від концентрації оптично – активної речовини у розчині, а також залежить від роду речовини, і довжини хвилі світла. Ця залежність виражається формулою:

де – кут повороту площини поляризації, – довжина ходу променя у розчині, – концентрація речовини у розчині, – називається питомим обертанням і характеризує кут повороту площини поляризації світла певної довжини хвилі на одиницю відстані, пройденій світлом у даному розчині. Питоме обертання чисельно рівне куту повороту площини поляризації шаром розчину одиничної товщини, що містить 1 г речовини на 100 см³ розчину.

Величина залежить від роду розчиненої речовини, від вибору розчинника і обернено пропорційна квадрату довжини хвилі(закон Біо):

Ця залежність використовується для дослідження структури білків та нуклеїнових кислот, оскільки, значна кількість біомолекул містить оптично активні центри. Прилади для дослідження вказаної залежності називаються спектрополяриметрами. Для визначення кута повороту площини поляризації використовують поляриметри.

Для цього беруть дві призми Ніколя. Через одну з них пропускають монохроматичне світло і спостерігають його через другу призму Ніколя (аналізатор). При обертанні аналізатора навколо променя, як осі, яскравість світла буде змінюватися: буде найбільшою, якщо головні площини ніколей паралельні, і найменшою (поле зору темне), якщо вони будуть перпендикулярні.

Коли головні площини ніколей паралельні, то поле зору освітлене тому, що ніколь-аналізатор пропускає коливання, отримані з допомогою Ніколя – поляризатора. Якщо при цьому між ніколями розмістити оптично активний розчин, то яскравість поля зменшиться, оскільки площина поляризації променя повернеться на певний кут. ІЦоб отримати поле зору такої ж яскравості, аналізатор необхідно повернути у протилежному напрямку на той самий кут.

Абсорбційні оптичні методи. Атомно-абсорбційний аналіз. Молекулярно-абсорбційний аналіз. Фотометрія (колориметрия, Фотоколориметри, спектрофотометрія).

Методи аналізу, засновані на поглинанні електромагнітного випромінювання аналізованими речовинами, представляють велику групу абсорбційних оптичних методів, що набули поширення як на промислових підприємствах, так і в науково-дослідних лабораторіях. При поглинанні світла атоми і молекули поглинаючих речовин переходять в нове збуджений стан.

Атомно-абсорбційний аналіз, заснований на поглинанні світлової енергії атомами аналізованих речовин;

Молекулярно-абсорбційний аналіз, заснований на поглинанні світла молекулами аналізованої речовини і складними іонами в УФ, видимої та ІЧ областях спектру (колориметрия, спектрофотометрія, Фотоколориметри, ІЧ-спектроскопія).

Турбідіметрія, нефелометрія – аналіз по поглинанню та розсіювання світлової енергії взвесями аналізованої речовини.

Люмінесцентний (флюорометричні) аналіз, заснований на вимірюванні випромінювання, що виникає в результаті виділення енергії збудженими молекулами аналізованої речовини при опроміненні УФ променями.

Незважаючи на відмінності, всі ці методи іноді об’єднують в групу спектрохімічних або спектроскопічних.

Атомно-абсорбційний аналіз (ААА)

ААА заснований на здатності вільних атомів визначуваного елемента селективно поглинати теоретичне резонансне випромінювання певної для кожного елемента довжини хвилі. Для цього аналізовану пробу переводять в розчин звичайним способом. Для спостереження поглинання розчин вдувають у вигляді аерозолю в полум’я пальника, в якому відбувається термічна дисоціація й атомізація молекул.

Більшість утворюються при цьому атомів знаходиться в нормальному збудженому стані. Вони здатні поглинати власне випромінювання, що проходить через полум’я пальника від зовнішнього стандартного джерела випромінювання, наприклад, лампи з порожнистим катодом, виготовленим з металу визначуваного елемента. У результаті цього зовнішній (оптичний) електрон атома переходить на більш високий енергетичний рівень, а пропускається через полум’я випромінювання послаблюється.

Для визначення складу різних речовин по атомних спектрах поглинання створені спеціальні прилади – атомно-абсорбційні спектрофотометри, що працюють за двох-або однолучевой схемою. У двухлучевой приладі випромінювання лампи з порожнистим катодом дзеркалами розділяється на два промені. Один промінь проходить через полум’я пальника, в яке розпорошується аналізований розчин, а інший промінь обходить це полум’я. За допомогою переривника, що обертається перед світловими потоками диска з отвором, світлові потоки 1 і 2 по черзі потрапляють на монохроматор, що пропускає на фотоелектричний приймач світла (фотопомножувач) тільки аналітичну лінію аналізованого елементу. Фотопомножувач і електронна схема поперемінно реєструють аналітичну лінію потоків 1 і 2. Прилад вимірює відношення або безпосередньо. Яке при обраній схемі виміру залежить тільки від концентрації елемента в аналізованому розчині.

Однопроменевий прилад вимірює усереднене відношення світлових потоків пройшли через полум’я до (I 0) і після (I) поглинання, тобто після введення в полум’я аналізованого розчину. точність визначення однопроменевих приладом менше, ніж двопроменеві.

В даний час в заводських лабораторіях широко застосовуються абсорбційні спектрофотометри, серед яких зарубіжні прилади ААС-1 (Німеччина), “Сатурн” (США) і ін

Даний метод характеризується швидкістю і простотою виконання, доступністю і простотою застосовуваної апаратури. Чутливість для більшості елементів досягає 5  10 -7%, при цьому витрачається від 0,1 до декількох мілілітрів розчину, що аналізується. Відносна похибка методу 1-4%.

Молекулярно-абсорбційний аналіз

Молекулярні спектри поглинання, на відміну від спектрів атомів, складаються з більш широких смуг, так як представляють суму різного типу переходів (ЕКВ), які можуть здійснюватися в результаті переходу молекули з основного стану в збуджений. Це ускладнює проведення якісного аналізу на підставі молекулярних спектрів поглинання, тому їх зазвичай використовують для кількісного аналізу.

Найбільш широко з методів молекулярно-абсорбційного аналізу застосовують колориметрію, Фотоколориметри і спектрофотометрію, що об’єднуються загальною назвою фотометрія.

Фотометрія заснована на пропорційній залежності між концентрацією однорідних систем (наприклад, розчинів) та їх светопоглощенієм у видимій і УФ областях спектру.

Фотометричні методи підрозділяють на прямі і непрямі (фотометричне титрування). У прямих визначається іон переводять в светопоглощающіе (як правило, комплексне) з’єднання, а потім по вимірюваною величиною світлопоглинання знаходять зміст іона в розчині. Як непрямий метод фотометрію використовують для індикації моменту еквівалентності при титруванні, коли в цей момент тітруемих розчин змінює світлопоглинання за рахунок руйнування або утворення кольорових комплексів.

З ФХМА фотометричні методи найбільш поширені внаслідок порівняльної простоти обладнання, високої чутливості й можливості використання для визначення майже всіх елементів як при великих концентраціях (20-30%), так і мікрокількостей (10 -3 -10 -4%).

Загальна схема фотометричних досліджень така: немонохроматізірованное або монохроматизованому (тобто з одного довжиною хвилі) випромінювання направляють на пробу, вміщену в кювету (тобто стаканчик із кварцового скла з паралельними стінками і строго певним відстанню між ними (l)) певної товщини, в якій відбувається поглинання падаючого світла.

Інтенсивність світла, що пройшло через пофарбований розчин (1), відрізняється від інтенсивності світла, що пройшло через розчинник I 0 на величину поглинання світла пофарбованим розчином (рис. 2.5.1). Втрати при відображенні і розсіянні будуть практично одні і ті ж при проходженні обох пучків, так як форма і матеріал обох кювет однакові, і вони містять один і той же розчинник. Величину називають пропусканням (коефіцієнтом пропускання) або прозорістю розчину. Узятий з оберненим знаком логарифм T називають светопоглощенієм, поглинанням або абсорбційні (А).

Позначення А відповідає першій букві в назві цієї величини (раніше яку називали оптичної щільністю і позначали D).

Молярний коефіцієнт поглинання – світлопоглинання при с = 1 моль / л і l = 1 см залежить від падаючого світла, природи розчиненої речовини, температури розчину і не залежить від об’єму розчину, товщини поглинаючого шару l, концентрації речовини c та інтенсивності освітлення. Тому є мірою поглинальної здатності речовини при даній довжині хвилі і характеристикою чутливості фотометричного аналізу – чим більше, тим більше чутливість.

Якщо розчин підпорядковується основному закону фотометрії, що є необхідною умовою для ряду фотометричних методів, то залежність – Лінійна, що характеризується прямої, що виходить з початку координат, якщо ні, то прямолінійність порушується. Тому перед фотометричним визначенням виявляють межі концентрацій, для яких застосовний закон Бугера-Ламберта-Бера. Відповідно до цього вибирають і фотометричний метод. Наприклад, виконання цього закону не обов’язково для деяких варіантів колориметричного методу.

Для забезпечення максимальної чутливості методу в фотометрії будують так звані “спектри поглинання речовини”, тобто графіки залежності ( ) При 1 моль / л і = 10 мм. Спектр поглинання кожної речовини графічно являє собою складну криву.

Має в максимумі певне значення вимірювання слід проводити в ділянках спектра, що відповідають максимальному значенню величини Вимірювання при максимальному значенні досягається монохроматизації падаючого світлового потоку, тобто виділенням із суцільного спектра вузької ділянки. Чим більше монохроматизації, тим точніше можна виміряти і, отже, тим точніше можна визначити концентрацію речовини. Вибір в якості монохроматора світлофільтру заснований на наступній залежності спектрів пропускання та поглинання: мінімум спектра пропускання (максимум спектра поглинання) визначається речовини повинен співпадати з максимумом пропускання (мінімумом поглинання) світлофільтру.

Якщо спектральна характеристика аналізованого розчину невідома, то світлофільтр вибирають за додатковим кольором до фарбування. Більш досконала монохром-мотузці за допомогою призм і дифракційних грат. У фотометрії можуть бути використані всі способи визначення концентрації. У візуальної колориметрії в основному використовують три методи: стандартних серій, колориметричного титрування і зрівнювання. При цьому два перших методу не вимагають дотримання основного закону фотометрії.

У методі стандартних серій аналізований розчин в шарі певної товщини порівнюють з набором стандартних розчинів такої ж товщини шару. Порівнюють інтенсивність забарвлення аналізованого розчину з еталонної серією. Концентрація З х приймається рівною концентрації еталонного розчину, однакового з ним по інтенсивності забарвлення.

У методі зрівнювання (порівняння з еталоном) домагаються на колориметрі занурення (Дюбоск) рівності оптичної щільності аналізованого і стандартного розчинів зміною товщини поглинаючого шару, через який проходить світловий потік.

У методі колориметричного титрування паралельно титрують рівні об’єми пофарбованого аналізованого розчину і дистильованої води, додаючи з двох бюреток рівні за обсягом порції води до аналізованого розчину і пофарбованого стандартного розчину до води. Однакова інтенсивність забарвлення досягається при рівних кількостях визначуваної речовини в обох обсягах. Знаючи початковий обсяг досліджуваного розчину V x і обсяг стандартного розчину, V ст доданого до зрівнювання забарвлення, а також титр стандартного розчину Т ст.

У фотоелектрометріі і спектрофотометрії визначення невідомої концентрації проводять методами добавки або стандартних серій.

Фотоколориметричним метод заснований на фотоелектричні вимірі інтенсивності забарвлення розчинів. Загальний принцип всіх систем фотоелектроколориметр полягає в тому, що світловий потік, що пройшов через кювету з пофарбованим розчином, потрапляє на фотоелемент, що перетворює світлову енергію в електричну, що вимірюється гальванометром. фотоелектроколориметри в залежності від кількості використовуваних при вимірюванні фотоелементів ділять на дві групи: 1) з одним фотоелементом (однопроменеві) – КФК-2 та ін; 2) з двома фотоелементами (двопроменеві) – ФЕК-М, ФЕК-56М, ФЕК-Н -57, ФЕК-60 і ін

Фотоэлектроколориметрирование зменшує трудомісткість і підвищує точність і об’єктивність аналізу.

Спектрофотометричний метод заснований на вимірюванні за допомогою спектрофотометра світлопоглинання розчину в монохроматичному потоці світла, тобто потоці світла з певною довжиною хвилі. Світлопоглинання в спектрофотометрі також вимірюється фотоелементами. Однак у ньому є призма або дифракційна решітка і щілину, що дозволяють розкласти світловий потік в спектр, відібрати і направити на кювету з аналізованим розчином світло з необхідною довжиною хвилі або світловий пучок з вузьким ділянкою спектра, який переважно поглинає аналізоване з’єднання розчину. Вимірювання світлопоглинання при довжині хвилі, що відповідає максимуму світлопоглинання, збільшує чутливість і полегшує визначення одного пофарбованого з’єднання в присутності іншого. Для аналізу використовують спектрофотометри типу СФ-4, СФ-4А, СФ-5, СФ-10, СФД-2, ІКС-12, “Specol” (Німеччина).

Фотометрія, розділ прикладної фізики, що займається вимірами світла. З точки зору фотометрії, світло – це випромінювання, здатне викликати відчуття яскравості при впливі на людське око. Таке відчуття викликає випромінювання з довжинами хвиль від ~ 0,38 до ~ 0,78 мкм, причому самим яскравим представляється випромінювання з довжиною хвилі ок. 0,555 мкм (жовто-зеленого кольору). Оскільки чутливість ока до різних довжинах хвиль у людей неоднакова, у фотометрії прийнятий ряд умовностей. У 1931 Міжнародна комісія з освітлення (МКО) ввела поняття «стандартного спостерігача» як якогось середнього для людей з нормальним сприйняттям. Цей еталон МКО – не що інше, як таблиця значень відносної світлової ефективності випромінювання з довжинами хвиль у діапазоні від 0,380 до 0,780 мкм через кожні 0,001 мкм. Яскравість, виміряна відповідно до еталоном МКО, називається фотометричної яскравістю або просто яскравістю.

Фотометричні величини. Потік світлової енергії вимірюється в люменах. Визначити світловий потік в 1 лм неможливо, не звертаючись до світиться тіл, і основною мірою світла тривалий час була «свічка», яка вважалася одиницею сили світла. Справжні свічки вже понад століття не використовуються в якості запобіжного світла, так як з 1862 стала застосовуватися спеціальна масляна лампа, а з 1877 – лампа, в якій спалювався пентан. У 1899 в якості одиниці сили відповіді була прийнята «міжнародна свічка», яка відтворювалася за допомогою повіряються електричних ламп розжарювання. У 1979 була прийнята дещо різниться від неї міжнародна одиниця, названа кандела (кд). Кандела дорівнює силі світла в даному напрямку джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частоти 540Ч1012 Гц (l = 555 нм), енергетична сила світлового випромінювання якого в цьому напрямку становить 1 / 683 Вт / ср

Протяжний джерело світла або освітлений предмет характеризується певною яскравістю (фотометричної яскравістю). Якщо сила світла, що випускається 1 м2 такої поверхні в даному напрямку, дорівнює 1 кд, то її яскравість у цьому напрямку дорівнює 1 кд/м2. (Яскравість більшості тіл і джерел світла в різних напрямках неоднакова.)

Види фотометричних вимірювань. Основні види фотометричних вимірювань такі: 1) порівняння сили світла джерел; 2) вимір повного потоку від джерела світла, 3) вимірювання освітленості в заданій площині; 4) вимір яскравості в заданому напрямку; 5) вимір частки світла, що пропускається частково прозорими об’єктами, 6 ) вимір частки світла, відображеної об’єктами.

Загальні методи вимірювання. Існують два загальних методу фотометрії: 1) візуальна фотометрія, в якій при вирівнюванні механічними або оптичними засобами яскравості двох полів порівняння використовується здатність людського ока відчувати відмінності в яскравості, 2) фізична фотометрія, в якій для порівняння двох джерел світла використовуються різні приймачі світла іншого роду – вакуумні фотоелементи, напівпровідникові фотодіоди і т.д. При обох методах для того, щоб результати мали універсальну значущість, умови спостереження (або роботи приладів) повинні бути такими, щоб фотометр реагував на різні довжини хвиль у точній відповідності з «стандартним спостерігачем» МКО. Важливо також, щоб світловий вихід лампи не змінювався в ході вимірів. Для стабілізації та вимірювання струму і напруги в таких умовах зазвичай потрібно досить складна електрична апаратура. У найточніших фотометричних вимірах доводиться стабілізувати струм через лампу з точністю до (2 – 3) Ч10-3%.

Візуальна фотометрія. Історія візуальної фотометрії починається з П. Бугера (1698-1758), чудового вченого, який в 1729 винайшов спосіб порівняння двох потоків світла і сформулював майже всі основні принципи фотометрії. І. Ламберт (1728-1777) далі систематизував теорію фотометрії, і подальший її розвиток йшло в основному по лінії вдосконалення методів. В даний час візуальна фотометрія застосовується обмежено – при вимірюванні дуже слабких світлових потоків, коли важко однозначно інтерпретувати результати фізичної фотометрії.

Фізична фотометрія. Початок фізичної фотометрії поклали Ю. Ельстер і Г. Гейтель, що відкрили в 1889 фотоефект. У 1908 Ш. Фері розробив електричний фотометр, чутливість якого до різних довжинах хвиль була близька до чутливості людського ока. Але лише в 1930-х роках, після вдосконалення вакуумних фотоелементів і винаходи селенового фотодіода, фізична (електрична) фотометрія стала широко застосовуваним методом, особливо в промислових лабораторіях.

Теорія фотометричного методу

Метод аналізу, що базується на переведенні визначається компонента в поглинає світло з’єднання з наступним визначенням кількості цього компонента шляхом вимірювання світлопоглинання розчину отриманого з’єднання, називається фотометричним.

За забарвленням розчинів забарвлених речовин можна визначати концентрацію того чи іншого компонента або візуально, або за допомогою фотоелементів – приладів, що перетворюють світлову енергію в електричну. Відповідно до цього розрізняють фотометричний візуальний метод аналізу, званий часто колориметрическим, і метод аналізу з застосуванням фотоелементів – власне фотометричний метод аналізу. Фотометричний метод є об’єктивним методом, оскільки результати його не залежать від здібностей спостерігача, на відміну від результатів колориметричного – суб’єктивного методу.

Фотометричний метод аналізу – один з найстаріших і поширених методів фізико-хімічного аналізу. Його поширенню сприяли порівняльна простота необхідного обладнання, особливо для візуальних методів, висока чутливість і можливість застосування для визначення майже всіх елементів періодичної системи і великої кількості органічних речовин. Відкриття все нових і нових реагентів, що утворюють забарвлені сполуки з неорганічними іонами і органічними речовинами, робить в даний час застосування цього методу майже необмеженою.

Фотометричний метод аналізу може застосовуватися для великого діапазону визначених концентрацій. Його використовують як для визначення основних компонентів різних складних технічних об’єктів з вмістом до 20 -30% визначається компонента, так і для визначення мікродомішок в цих об’єктах при утриманні їх до 10 -3 – 10 -4%. Комбінування фотометричних методів з деякими методами розділення – хромотографіческім, екстракційним дозволяє на 1-2 порядки підвищити чутливість визначення, довівши його до 10 -5.

У деяких випадках фотометричний метод може бути застосований для одночасного визначення в розчині в розчині декількох іонів, хоча його можливості обмежені.

Дуже цінно використання фотометричних методів для вирішення багатьох теоретичних питань аналітичної та фізичної хімії.

Здатність хімічної сполуки, неорганічного іона і органічної угруповання поглинати променисту енергію певних довжин хвиль використовується в фотометрическом аналізі. Серед неорганічних речовин порівняно небагато сполук, що володіють власною забарвленням: це сполуки марганцю (VII), хрому (VI), міді (II) і ін

Кожна речовина має здатність поглинати променисту енергію у вигляді квантів енергії, які відповідають певним довжинам хвиль. Лінії або смуги поглинання розташовуються в ультрафіолетовій, видимій або інфрачервоній областях спектру. Ці смуги і лінії можуть бути використані для якісного і кількісного фотометричного аналізу.

Основний закон фотометрії

Якщо світловий потік інтенсивності I 0 падає на кювету, яка містить досліджуваний розчин, то частина цього потоку I до відбивається від стінок кювети і поверхні розчину, частина його I а поглинається молекулами речовини, що міститься в розчині, і витрачається на зміну електронної, обертальної і коливальної енергії цих молекул, частина I а 1 поглинається молекулами самого розчинника.

Якщо в розчині присутні тверді частинки у вигляді мутей або суспензій, то частина світлової енергії I r відбивається і від цих часток і, нарешті, частина енергії I t проходить через кювету. На підставі закону збереження енергії можна написати рівняння:

I₀ = I + Iа + Iа₁ + Ir + It

При аналізі прозорих розчинів в рівнянні (1) член I r дорівнює 0. при роботі протягом всього дослідження з одним розчинником член I а 1 можна вважати постійним. Крім того, розчинники завжди підбирають так, щоб вони самі в досліджуваній області спектра володіли мінімальним поглинанням, яким можна знехтувати. При використанні однієї і тієї ж кювети значення відбитого світлового потоку I до дуже мало і їм можна знехтувати. Тому рівняння (1) можна спростити:

I 0 = I а + I t (2)

Безпосередніми вимірами можна визначити інтенсивність падаючого світлового потоку (I 0) і пройшов через розчин, що аналізується (I t). Значення I а може бути знайдено за різницею між I 0 і I t ; Безпосередньому ж вимірюванню ця величина не піддається.

На підставі численних експериментів П. Бугера, а потім і І. Ламбертом був сформульований закон, що встановлює, що шари речовини однакової товщини, при інших рівних умовах, завжди поглинають одну і ту ж частину падаючого на них світлового потоку.

Закон Бугера-Ламберта

Два розчину одного і того ж з’єднання різної концентрації однакові за відтінками кольору, але розрізняються по інтенсивності забарвлення. Інтенсивність забарвлення вимірюють з ослаблення енергії світлового потоку певної довжини хвилі. Інтенсивність вхідного світлового потоку позначають зазвичай I 0, а інтенсивність ослабленого поглинанням світлового потоку через I.

Величину поглинання світла можна висловлювати різницею цих двох величин, або їх ставленням. Для різних фотометричних досліджень найбільш зручно виражати інтенсивність світлопоглинання величиною.

Ця величина називається оптичною щільністю і постійно застосовується в різних розрахунках. Зручність застосування саме цієї функції обумовлена прямий пропорційністю між оптичною щільністю і концентрацією, а також товщиною шару розчину пофарбованого з’єднання.

Розглянемо поглинання світла розчином речовини, що знаходиться в кюветі з паралельними стінками. Товщину шару поглинає світло розчину позначимо через b, а інтенсивність світлового потоку, що входить через розчин, через I 0. розділимо довжину, займану розчином у кюветі, на b ділянок. Коли світло пройде через першу ділянку поглинає світло розчину, інтенсивність світла послабиться вразів.

Кінець першої ділянки є в той же час початком другого. У другій ділянку розчину потрапляє, таким чином, потік світла з інтенсивністю I 1. при проходженні світла через другий ділянку знов відбудеться послаблення світла в такій же мірі, тобто вразів.

Залежність між оптичною щільністю і товщиною шару, що виражається рівнянням, називається законом Бугера – Ламберта. Залежність можна також вивести з величини поглинання в нескінченно малому шарі, інтегруванням на всю товщину кювети. Для цього, аналогічно сказаного вище, розглянемо поглинання монохроматичного світла тілом з паралельними стінками. Нескінченно тонкий шар поглинає частку енергії входить до нього паралельного монохроматичного пучка світла, пропорційну товщині шару.

Відношення інтенсивності світлового потоку, що пройшов через шар розчину, до інтенсивності падаючого світлового потоку не залежить від абсолютної інтенсивності падаючого світлового потоку;

якщо товщина шару розчину збільшується в арифметичній прогресії, інтенсивність світлового потоку, що пройшов через нього, зменшується в геометричній прогресії.

Закон Бера

Ослаблення інтенсивності світлового потоку при проходженні через розчин залежить від кількості поглинаючих світло центрів на шляху світлового потоку. Розглянемо поглинання світла розчином пофарбованого з’єднання за умови, що склад і структура цієї сполуки не змінюється зі зміною його концентрації. Прикладом такого розчину може бути хромат калію; для сталості pH при розведенні до розчину додають тетраборату натрію.

Якщо налити трохи цього розчину у високий циліндр і вимірювати поглинання світла зверху, тобто в повному шарі. Згідно з умовою, загальна кількість поглинаючих світло центрів залишається постійним при розведенні розчину, тому загальна светопоглощение також не змінюється. При розведенні розчину вразів концентрація розчину зменшиться вразів, а товщина шару в циліндрі в стільки ж разів відповідно збільшиться, тому загальна оптична щільність не зміниться.

Нехай розчин, концентрація якого З 1, при товщині шару b 1 має таку ж оптичну щільність, як і розчин того ж речовини при більшій товщині шару b 2. Очевидно, у другому розчині концентрація З 2 речовини менше, ніж у першому розчині щодо:

З 1: З 2 = b 2: b 1 (14)

З 1 b 1 = З 2 b 2 (15)

Цю залежність встановив у 1852 р Бер і експериментально перевірив її вимірами оптичної щільності газоподібного хлору при різних тисках.

Ця залежність називається законом Бугера – Ламберта – Бера і застосовується при різних розрахунках у фотометричному аналізі. Якщо концентрація С виражена в молях на літр, а товщина шару b – у сантиметрах, то коефіцієнт називають молярним коефіцієнтом поглинання; він представляє собою постійну величину, що залежить від довжини хвилі падаючого світла, природи розчиненої речовини, температури розчину, і відповідає светопоглощение молярного розчину аналізованої речовини.

Також потрібно сказати, що джерелами помилок при фотометрії можуть бути відхилення від закону Бугера – Ламберта – Бера і особливості виникає забарвлення. Відхилення від закону Бугера – Ламберта – Бера можуть бути викликані і сторонніми речовинами, присутніми в розчині.

Методи фотометричного аналізу

Визначення концентрації пофарбованого речовини фотометричним методом практично зводиться до визначення інтенсивності світлового потоку до і після поглинаючого розчину (відповідно I 0 і I t ). Абсолютна визначення інтенсивності цих світлових потоків можливо тільки за допомогою фотоелементів. При визначенні за абсолютної інтенсивності світлового потоку джерело світла, кювету з досліджуваним розчином і приймач світла розташовуються на одній прямій. Це так званий метод однопроменевий фотометрії.

Метод однопроменевий фотометрії дуже простий, але вимагає постійності початкового світлового потоку. У фотометрическом аналізі однопроменевий фотометрія використовується в методі пропорційних відхилень.

При вимірі за методом порівняння інтенсивностей світловий потік від джерела світла пропускають через дві паралельні кювети, що містять порівнювані розчини; промені, які пройшли через кювети, потрапляють на самостійні приймачі світла. Це так званий метод двулучевой фотометрії. Порівняння інтенсивності світлових потоків можна проводити і візуально, людське око здатне вловлювати різницю в интенсивностях забарвлень в межах 10 – 15%.

У фотометрическом аналізі застосовуються реакції різних типів. Для визначення неорганічних компонентів найчастіше використовують реакції освіти (іноді – руйнування) забарвлених комплексних сполук. Більшість металів і неметалів здатні до утворення різних комплексних сполук, в тому числі забарвлених, або, у всякому разі, здатні до взаємодії з пофарбованими комплексами. Тому область застосування фотометричних методів аналізу практично не має обмежень; в даний час відомі досить прості фотометричні методи визначення майже всіх елементів або їх сполук. Для фотометричного визначення органічних компонентів найчастіше використовують реакції синтезу забарвлених сполук. Реакції синтезу зручно застосовувати і для визначення деяких неорганічних компонентів, наприклад сульфідів або нітритів. Значно рідше застосовують у фотометричному аналізі реакції окислення – відновлення. Ряд фотометричних методів заснований на каталітичному ефекті. Чутливість фотометричних методів, заснованих на звичайних реакціях утворення забарвлених сполук, має природний межа. Тому якщо необхідне значне підвищення чутливості, визначається компонент вводять в деяку систему в якості каталізатора. У результаті кожна частка визначається компонента призводить до утворення великої кількості частинок продукту реакції.

Таким чином, центральне місце в фотометрическом аналізі займає хімічна реакція. Час, що витрачається на аналіз, чутливість методу, його точність і вибірковість залежать від вибору хімічної реакції та оптимальних умов утворення пофарбованого з’єднання. Правильне вимірювання світлопоглинання має велике значення. Проте вибір того або іншого способу вимірювання поглинання світла обумовлений, як правило, не особливостями аналізованого матеріалу або вибраної реакцією, а загальними умовами роботи тієї або іншої лабораторії.

Прилади:

поглинання світла вимірюється за допомогою приладів з фотоелементом. Такі прилади називають фотоелектроколориметр (ФЕК). На відміну від візуального способи, за допомогою ФЕК можна безпосередньо виміряти ослаблення інтенсивності первинного світлового потоку. Тому немає необхідності щораз готовити стандартний розчин. Зазвичай при роботі з ФЕК перед виконанням аналізів складають калібрувальний графік по серії стандартних розчинів. Калібрувальним графіком користуються для багатьох визначень, що дуже зручно для масових однотипних аналізів. Якщо поглинання світла вимірюється за допомогою ФЕК, такий спосіб називають фотоколориметричним аналізом.

найбільш досконалим, хоч і більш складним приладом є спектрофотометр. У спектрофотометрі ослаблення інтенсивності світлового потоку вимірюється також за допомогою фотоелементів. Однак у спектрофотометрі є призма або дифракційна решітка, а також щілину. Це дозволяє виділити вузький ділянку спектра, саме той, з яким «оптично реагує» забарвлене з’єднання. Відомо дуже мало «сірих речовин», що поглинають світло рівномірно в усіх ділянках спектра. Більшість же забарвлених речовин поглинає переважно якої-небудь одну ділянку спектра. Тому вимірювання при довжині хвилі, яка відповідає максимуму спектра поглинання, збільшує чутливість. Крім того, полегшується визначення одного пофарбованого з’єднання в присутності іншого, інакше пофарбованого; зокрема, при роботі з спектрофотометром значно поліпшуються результати фотометричного визначення із застосуванням забарвлених реактивів.

Основні прийоми фотометричних вимірювань

Метод градуювального графіка.

Відповідно до закону Бугера – Ламберта – Бера графік в координатах А – з повинен бути лине і пряма повинна проходити через початок координат. Для побудови такого графіка достатньо однієї експериментальної точки. Однак градуювальний графік зазвичай будують не менш ніж по трьох точках, що підвищує точність і надійність визначень. При відхиленнях від закону Бугера – Ламберта – Бера, тобто при порушенні лінійної залежності A від c, кількість точок на графіку має бути збільшене. Застосування градуювальних графіків є найбільш поширеним і точним методом фотометричних вимірювань. Основні обмеження методу пов’язані з труднощами приготування еталонних розчинів та обліком впливу так званих третіх компонентів, тобто компонентів, які знаходяться в пробі, самі не визначаються, але на результат впливають.

Метод молярного коефіцієнта поглинання.

При роботі за цим методом визначають оптичну щільність декількох стандартних розчинів A ст, для кожного розчину розраховують і отримане значення ε усереднюють. Потім вимірюють оптичну щільність аналізованого розчину A x і розраховують концентрацію c x за формулою:

Обмеженням методу є обов’язкове підпорядкування аналізованої системи законом Бугера – Ламберта – Бера, принаймні, в області досліджуваних концентрацій.

Метод добавок.

Цей метод застосовують при аналізі розчинів складного складу, так як він дозволяє автоматично врахувати вплив «третіх» компонентів. Сутність його полягає в наступному. Спочатку визначають оптичну щільність A x аналізованого розчину, що містить визначається компонент невідомої концентрації c x , А потім в аналізований розчин додають відому кількість визначається компонента (з ст) і знову вимірюють оптичну щільність A x + ct.

Концентрацію аналізованого речовини в методі добавок можна знайти також за графіком в координатах A x + ст = f (c ст). Рівняння (18) показує, що якщо відкладати A x + ct як функцію з ст, то вийде пряма, екстраполяція якої до перетину з віссю абсцис дасть відрізок, рівний – c x .

Апаратура

У будь-якій фотометричної апаратурі різняться такі основні вузли:

– джерело світла;

– монохроматізатор світла;

– кювети;

– вузол визначення інтенсивності світла.

Вузол джерела світла складається з власного джерела світла, стабілізатора напруги і в деяких випадках контрольних приладів – амперметра і вольтметра для контролю постійності сили струму і напруги. У деяких найпростіших конструкціях колориметрії, наприклад, КОЛ-52, фотометр ФМ і ін, стабілізатори та контрольні прилади відсутні. В якості джерел світла залежно від використовуваної області спектру застосовують різні прилади. Для отримання світла далекій ультрафіолетової області 220-230 нм використовують водневу лампу або лампу розжарювання для області близького ультрафіолету і видимій частині спектру 320 – 800 нм. В іноземних спектрофотометрах для цієї мети застосовують вольфрамові і дейтерієву розрядні лампи.

Для отримання світла видимої області спектра застосовують звичайні лампи розжарювання. Для отримання світла інфрачервоної області спектру застосовують глобар-стрижень з карбіду кремнію або штифт Нернста – стрижень з суміші оксидів рідкісноземельних елементів. Ці стрижні при прожарюванні їх електричним струмом до 1200 – 2000 0 С випускають інтенсивний потік інфрачервоних променів. При всіх фотометричних вимірах необхідний стійкий потік світлових променів. Це забезпечується в першу чергу стабільним режимом розжарювання. Тому кращі моделі фотометричних приладів обов’язково забезпечені стабілізатором напруги, що накладається на джерело променевого потоку. Контроль за роботою стабілізатора доцільно вести шляхом вимірювання сили струму, що проходить через освітлювач, або напруги, яке на нього подається. У деяких випадках, коли ці прилади відсутні у фабричних моделях, їх приєднують додатково. Крім того, за стабільністю роботи освітлювача можна спостерігати і за допомогою вузла визначення інтенсивності світла.

Монохроматізація світла може бути здійснена за допомогою:

– світлофільтрів

– призм

– дифракційних решіток

Світлофільтрами називаються середовища, здатні пропускати лише певні області спектра. Зазвичай в фотоколориметрія використовуються як світлофільтрів скла.

Знаючи максимум поглинання речовини, можна вибрати такий світлофільтр, який пропускав би тільки промені, що поглинаються розчином, і затримував би всі інші. Частіше всього вдається тільки приблизно виділити за допомогою світлофільтру потрібну область спектра.

У деяких конструкціях, наприклад у монохроматор СФ-9, застосовується подвійна Монохроматізація. Спочатку світловий потік монохроматізіруется за допомогою кварцової призми, а потім більш тонка Монохроматізація досягається за допомогою дифракційної решітки. У вузол монохроматізаціі входять також ряд лінз для посилення пучка світла, діафрагми для виділення вузького пучка монохроматичного світла, дзеркала і призми для зміни напрямку світлового ручка та інші деталі, які не мають принципового значення. Сюди ж відносяться механізми для повороту призм і решіток. У деяких конструкціях вони пов’язані з самописцями для запису фотострумів, завдяки чому в процесі вимірювання оптичної щільності отримують одночасно спектрофотометричних криву залежності оптичної щільності від довжини хвилі.

Вузол кювет найменш складний з облаштування. Кювети повинні бути виготовлені з матеріалу, добре пропускає промені світла, інтенсивність яких вимірюється. Для променів видимої області спектра – це скло, для ультрафіолетових променів – кварц. При роботі з інфрачервоними променями застосовують кювети зі стінками з плавленого хлориду срібла, часто замість розчинів досліджуваних речовин застосовують таблетки з цих речовин з бромідом калію. Кювети бувають найрізноманітніших форм: прямокутні, циліндричні, у вигляді пробірок, кювети з швидким видаленням досліджуваного розчину та інші.

Фотопомножувача. Значне підвищення чутливості фотоелементів може бути досягнуто застосуванням фотопомножувачів. У цьому приладі пучок світла, потрапляючи через віконце на катод 1, вибиває з нього електрони, які під впливом накладеного напруги відкидаються на катод 2, вибиваючи з нього нові електрони; збільшене число електронів потрапляє на катод 3 і так далі. У результаті потік електронів в фотопомножувач сильно зростає. Спектральна характеристика фотопомножувача залежить від природи катода, а чутливість досягає 6000 – 10000 мкА / лм.

У вузол оцінки інтенсивності світлового потоку входять також різного типу діафрагми для ослаблення світлового потоку (оптична компенсація).

Фотометричні величини. Потік світлової енергії вимірюється в люменах. Визначити світловий потік в 1 лм неможливо, не звертаючись до світиться тіл, і основною мірою світла тривалий час була «свічка», яка вважалася одиницею сили світла. Справжні свічки вже понад століття не використовуються в якості запобіжного світла, так як з 1862 стала застосовуватися спеціальна масляна лампа, а з 1877 – лампа, в якій спалювався пентан. У 1899 в якості одиниці сили відповіді була прийнята «міжнародна свічка», яка відтворювалася за допомогою повіряються електричних ламп розжарювання. У 1979 була прийнята дещо різниться від неї міжнародна одиниця, названа кандела (кд). Кандела дорівнює силі світла в даному напрямку джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частоти 540Ч1012 Гц (l = 555 нм), енергетична сила світлового випромінювання якого в цьому напрямку становить 1 / 683 Вт / ср

Загальні методи вимірювання. Існують два загальних методу фотометрії: 1) візуальна фотометрія, в якій при вирівнюванні механічними або оптичними засобами яскравості двох полів порівняння використовується здатність людського ока відчувати відмінності в яскравості, 2) фізична фотометрія, в якій для порівняння двох джерел світла використовуються різні приймачі світла іншого роду – вакуумні фотоелементи, напівпровідникові фотодіоди і т.д. При обох методах для того, щоб результати мали універсальну значущість, умови спостереження (або роботи приладів) повинні бути такими, щоб фотометр реагував на різні довжини хвиль у точній відповідності з «стандартним спостерігачем» МКО. Важливо також, щоб світловий вихід лампи не змінювався в ході вимірів. Для стабілізації та вимірювання струму і напруги в таких умовах зазвичай потрібно досить складна електрична апаратура. У найточніших фотометричних вимірах доводиться стабілізувати струм через лампу з точністю до (2 – 3) Ч10-3%.

Візуальна фотометрія. Історія візуальної фотометрії починається з П. Бугера (1698-1758), чудового вченого, який в 1729 винайшов спосіб порівняння двох потоків світла і сформулював майже всі основні принципи фотометрії. І. Ламберт (1728-1777) далі систематизував теорію фотометрії, і подальший її розвиток йшло в основному по лінії вдосконалення методів. В даний час візуальна фотометрія застосовується обмежено – при вимірюванні дуже слабких світлових потоків, коли важко однозначно інтерпретувати результати фізичної фотометрії.

Фізична фотометрія. Початок фізичної фотометрії поклали Ю. Ельстер і Г. Гейтель, що відкрили в 1889 фотоефект. У 1908 Ш. Фері розробив електричний фотометр, чутливість якого до різних довжинах хвиль була близька до чутливості людського ока. Але лише в 1930-х роках, після вдосконалення вакуумних фотоелементів і винаходи селенового фотодіода, фізична (електрична) фотометрія стала широко застосовуваним методом, особливо в промислових лабораторіях.

Видиме випромінювання – електромагнітні хвилі, що сприймаються людським оком, які займають ділянку спектра з довжиною хвилі приблизно від 380 ( фіолетовий) до 740 нм ( червоний). Такі хвилі займають частотний діапазон від 400 до 790 терагерц. Електромагнітне випромінювання з такими довжинами хвиль також називається видимим світлом, або просто світлом (у вузькому сенсі цього слова). Найбільшу чутливість до світла людське око має в області 555 нм (540 ТГц), в зеленої частини спектру.

Спектрофотометр – це прилад, дозволяє виробляти вимірусветопоглощения зразків у вузьких із спектрального складу пучка світла (монохроматический світло). Спектрофотометри дозволяють розкладати біле світло у безперервний спектр, виділяти від цього спектра вузький інтервал довжин хвиль, у якого світловий пучок вважатимутьсямонохроматическим (ширина виділеної смуги спектра 1 – 20 нм), пропускати ізольований пучок світла через аналізований розчин і вимірювати з високим рівнем точності інтенсивність цього пучка. Поглиненна світла забарвленим речовиною в розчині вимірюють, порівнюючи його з поглинанням нульового розчину. У фотометричнім спектрофотометрі поєднуються дві основні приладу: монохроматор, службовець щоб одержатимонохроматического світлового потоку, і фотоелектричний фотометр, готовий до виміру інтенсивності світла.

Монохроматор складається з з трьох основних частин: джерела світла, диспергирующего устрою (устрою, розтлінного біле світло в спектр) і пристосування регулюючого величину інтервалу довжин хвиль світлового пучка, падаючого на розчин.

Найбільш вживаним джерелом світла є лампа розжарювання з вольфрамової ниткою, довжини хвиль випромінювання якої лежать у межах 350 – 2000 нм. Цей джерело світла доречний під час більшості аналітичних цілей, оскільки дає змогу виробляти виміру перетворилася на найближчій ультрафіолетової, видимої, соціальній та ближньої інфрачервоної областях спектра.

Для розкладання світла спектр застосовуються скляні і кварцові призми, і навіть дифракційні грати. Призми мають досить великийдисперсией і великийсветосилой. Кварцеві призми дають можливість за ультрафіолетової області спектра. Дуже важливою деталлюспектрофотометра є щілину, з допомогою яких можна регулювати інтенсивність світлового потоку: що менше її розкриття, тим менше світла проходить неї і тих вже інтервал довжин хвиль світлового пучка,пропускаемого щілиною.

Фотоелектрический фотометр складається з вакуумних фотоелементів, підсилювача постійного струму і компенсуючого устрою (потенциометра), шкала якогопроградуирована в одиницях оптичної щільності і відсоткахсветопропускания.

Принцип дії

У основу роботи спектрофотометра покладено принцип виміру відносини двох світлових потоків: потоку, котрий пройшов досліджуваний зразок, і потоку, падаючого на досліджуваний зразок (чи котрий пройшов контрольний зразок).

Світловий пучок з освітлювача потрапляє умонохроматор через вхідну щілину і розкладаєтьсядифракционной гратами спектр. Умонохроматический потік випромінювання, що надходить з вихідний щілини вкюветное відділення, по черзі вводяться контрольний і досліджуваний зразки. Випромінення, пройшовши крізь зразок, потрапляє на катод фотоелемента вприемно-усилительном блоці. Електричний струм, проходить через резистор RМ, включений в анодний ланцюг фотоелемента, створює нарезисторе падіння напруги, пропорційне потоку випромінювання, падаючому на фотокатод.

Посилювач постійного струму з коефіцієнтом посилення близькими до одиниці, забезпечує передачу сигналів на вхід мікропроцесорної системи (далі – МШС), МШС за командою оператора по черзі вимірює і запам’ятовує напруги UT і U, пропорційнітемновому потоку фотоелемента, потоку, що пройшла через контрольний зразок, і потоку, що пройшла через досліджуваний зразок.

Значення вимірюваної величини висвічується на цифровому фотометричному табло.

Оптичні властивості речовин в ультрафіолетовій області спектру значно відрізняються від їх оптичних властивостей у видимій області. Характерною межею є зменшення прозорості (збільшення коефіцієнта поглинання) більшості тіл, прозорих у видимій області. Наприклад, звичайне скло непрозоре при інтенсивності випромінювання — I < 320 нм; в більш короткохвильовій області прозорі лише увіолеве скло, сапфір, фтористий магній, кварц, флюорит, фтористий літій і деякі інші матеріали. Найдальшу межу прозорості (105 нм) має фтористий літій. Для I < 105 нм прозорих матеріалів практично немає. З газоподібних речовин найбільшу прозорість мають інертні гази, межа прозорості яких визначається величиною їхнього іонізаційного потенціалу. Найкороткох вильовішу межу прозорості має гелій (He) — 50,4 нм. Повітря не прозоре практично при I < 185 нм через УФ-поглинання киснем.

Залежність коефіцієнта відбиття від довжини хвилі випромінення

Коефіцієнт відбиття всіх матеріалів (у тому числі металів) зменшується із зменшенням довжини хвилі випромінювання. Наприклад, коефіцієнт відбиття свіжонапиленого алюмінію (Al), одного з кращих ніж інші матеріалів для дзеркальних покриттів, у видимій області спектру, різко зменшується при I < 90 нм. Віддзеркалення алюмінію значно зменшується також унаслідок окислення поверхні. Для захисту поверхні алюмінію від окислення застосовуються покриття з фтористого літію або фтористого магнію. В області I < 80 нм деякі матеріали мають коефіцієнт відбиття 10-30% (золото (Au), платина (Pt), радій (Ra), вольфрам (W) та ін.), проте при I < 40 нм їхній коефіцієнт віддзеркалення знижується до 1% і менше.

Джерела ультрафіолетового випромінювання

Випромінювання розжарених до 3000 K твердих тіл містить помітну частку ультрафіолетового випромінювання неперервного спектру, інтенсивність якого зростає із збільшенням температури. Сильніше ультрафіолетове випромінювання випускає плазма газового розряду. При цьому залежно від розрядних умов і робочої речовини може випускатись як безперервний, так і лінійчатий спектр. Для різних застосувань промисловість випускає ртутні, водневі, ксенонові та ін. газорозрядні лампи, вікна в яких (або цілком колби) виготовляють з прозорих для УФ-випромінювання матеріалів (частіше з кварцу). Будь-яка високотемпературна плазма (плазма електричних іскор і дуг, плазма, що утворюється при фокусуванні сильного лазерного випромінювання в газах або на поверхні твердих тіл, і т.д.) є потужним джерелом УФ-випромінювання. Інтенсивне УФ-випромінювання неперервного спектру випромінюють електрони, прискорені в синхротроні. Для ультрафіолетової області спектру розроблені також оптичні квантові генератори — лазери. Найменшу довжину хвилі з них має водневий лазер (109,8 нм).

Детектори ультрафіолетового випромінювання

Для реєстрації УФ-випромінювання при I > 230 нм використовуються звичайні фотоматеріали. В більш короткохвильовій області до нього чутливі спеціальні маложелатинові фотопрошарки. Застосовуються фотоелектричні приймачі, що використовують здатність випромінювання викликати іонізацію і фотоефект: фотодіоди, іонізаційні камери, лічильники фотонів, фотопомножувачі і ін. Розроблений також особливий вид фотопомножувачів — канальні електронні помножувачі, що дозволяють створювати мікроканальні пластини. В таких пластинах кожний осередок є канальним електронним помножувачем розміром до 10 мкм. Мікроканальні пластини дозволяють одержувати фотоелектричні зображення в УФ-випромінюванні й об’єднують переваги фотографічних і фотоелектричних методів реєстрації. При дослідженнях також використовують різні люмінесцентні речовини, що перетворюють УФ-випромінювання у видиме сівтло.

Застосування

Вивчення спектрів випромінювання, поглинання і відбиття в УФ-області дозволяє визначати електронну структуру атомів, іонів, молекул, а також твердих тіл. УФ-спектри Сонця, зірок та ін. несуть інформацію про фізичні процеси, що відбуваються в гарячих областях цих космічних об’єктів. На фотоефекті, що викликається УФ-випромінюванням, заснована фотоелектронна спектроскопія. УФ-випромінювання може порушувати хімічні зв’язки в молекулах, внаслідок чого можуть відбуватися різні хімічні реакції (окислення, відновлення, розклад, полімеризація). Люмінесценція під дією УФ-випромінювання використовується при створенні люмінесцентних ламп, фарб, що світяться, в люмінесцентному аналізі і люмінесцентній дефектоскопії. Ультрафіолетове випромінювання застосовується в криміналістиці для встановлення ідентичності фарбників, автентичності документів тощо. В мистецтвознавстві дозволяє знайти на картинах не видимі оком сліди реставрацій. Здатність багатьох речовин до вибіркового поглинання ультрафіолетового випромінювання використовується для виявлення в атмосфері шкідливих домішок, а також в ультрафіолетовій мікроскопії.

Кювети для фотометра КФК і спектрофотометра СФ

Ковети скляні для фотометра КФК

Кювета скляна оптична призначена для фотометрування у фотометрах з кислотами, лугами і органічними розчинниками. У технологічному процесі виробництва кювет використовується метод спікання скла, що робить можливим експлуатацію кювет при роботі з агресивними реагентами. Кювета виготовляється із оптичного шкла К8. Головні особливості кювет: велика механічна міцність, абсолютна герметичність, відсутність залишкових напружень, виняткова точність виготовлення, стійкість до дії кислот, лугів і органічних розчинників, відмінні спектральні характеристики.

Довжина оптичного шляху, мм

Спектральний діапазон, нм

від 290

Розмір, мм

7х24х35

9х24х35

11х24х35

16х24х35

26х24х35

36х24х35

56х24х35

Товщина стінки, мм

Завдяки спеціальній технології виготовлення (спікання) кювета прямокутна для спектрофотометрів володіє: високою механічною міцністю, відсутністю залишкових напружень; тривалою експлуатацією без порушення герметичності швів; висока стійкість до впливу води, розчинів кислот, лугів і органічних розчинників; відмінні спектральні характеристики. Для виготовлення кювети використовується високоякісний кварц кв і ку-1, смоляне полірування деталей забезпечує точні вимірювання досліджуваного матеріалу.

Довжина оптичного шляху, мм

Спектральний діапазон, нм

від 180

Розмір, мм

12,5х45

Товщина стінки, мм

1,25

Визначення вмісту вітаміну В₁₂ в ін’єкційних розчинах.

Препарат розводять водою до вмісту близько 0,02 мг/мл, вимірюють оптичну густину отриманого розчину на спектрофотометрі при довжині хвилі 361 нм в кюветі з товщиною шару 1 см. В якості розчину порівняння застосовують воду.

Вміст ціанокобаламіну в міліграмах (х) в 1 мл препарату розраховують за формулою:

де: А – оптична густина розчину;

207 – питомий показник поглинання В₁₂ при довжині хвилі 361 нм;

V – об’єм препарату взятий для розведення, в мл;

V₁– кінцевий об’єм розчину, в мл;

Вміст C₆₃H₈₈CoN₁₄O₁₄P в 1 мл препарату повинен бути 0,027 – 0,033 мг; 0,09 – 0,11 мг; 0,18 – 0,22 мг; 0,45 – 0,55 мг.

Визначення вмісту суми флавоноїдів в таблетках фламіну 0,05 г.

Близько 0,18 г (точна наважка) порошку розтертих таблеток поміщають в мірну колбу місткістю 100 мл, додають 60 мл 95% спирту і струшують протягом 2 хв. Потім доводять об’єм розчину 95% спиртом до мітки, перемішують і фільтрують через паперовий фільтр, відкидаючи перші 15 мл фільтрату.

2 мл фільтрату поміщають в мірну колбу місткістю 50 мл і доводять об’єм розчину 95% спиртом до мітки і перемішують. Вимірюють оптичну густину отриманого розчину на спектрофотметрі при довжині хвилі 315 нм в кюветі з товщиною шару 10 мм, використовуючи в якості розчину порівняння 95% спирт.

Визначення суми флавоноїдів (х) в одній таблетці в г проводять за формулою:

де А – оптична густина вимірюваного розчину;

m – маса наважки препарату, в г;

260 –питомий показник поглинання ізосаліпурпозиду в 95% спирті при λ=315 нм; b – середня маса таблетки;

Вміст суми флавоноїдів в одній таблетці повинен бути від 0,031 до 0,039г, рахуючи на середню масу таблетки в грамах.

Визначення вмісту стрептоциду в таблетках стрептоциду 0,3 і 0,5

Близько 0.34 г (точна наважка) порошку розтертих таблеток поміщають в мірну колбу міcткістю 100 мл, додають 60 мл 0,1 моль/л розчину кислоти хлоридної і струшують протягом 10 хв, доводять об’єм розчину 0,1 моль/л розчином кислоти хлоридної до мітки, перемішують і фільтрують через фільтр “біла стрічка”, відкидаючи перші 10 мл фільтрату.

1,00 мл одержаного фільтрату поміщають в мірну колбу місткістю 50 мл, доводять об’єм розчину 0,1 моль/л розчином кислоти хлоридної до мітки і перемішують.

Вимірюють оптичну густину одержаного розчину на спектрофотометрі при довжині хвилі 263 нм в кюветі з товщиною шару 10 мм, використовуючи як розчин порівняння 0,1 моль/л розчин кислоти хлоридної.

Паралельно вимірюють оптичну густину розчину стандартного зразка (СЗ) стрептоциду.

Вміст стрептоциду (Х) в грамах, рахуючи на середню масу таблетки, розраховують за формулою:

де: А₀ – оптична густина досліджуваного розчину;

А₁ – оптична густина розчину СЗ стрептоциду;

m_o– маса наважки СЗ стрептоциду, в грамах;

m₁ – маса наважки порошку таблеток, в грамах;

b – середня маса таблетки, в грамах.

Вміст стрептоциду в грамах, рахуючи на середню масу таблетки повинен бути в межах 0,285-0,315 г або 0.475-0.525 г.

Приготування розчину стандартного зразка (СЗ) стрептоциду. 0,1 г (точна наважка) стрептоциду поміщають в мірну колбу місткістю 100 мл, додають 60 мл 0,1 моль/л розчину кислоти хлоридної і розчиняють, цим же розчином кислоти хлоридної доводять об’єм розчину до мітки.

3 мл отриманого розчину поміщають в мірну колбу місткістю 50 мл і доводять об’єм розчину 0.1 моль/л розчином кислоти хлоридної до мітки та перемішують.

Розчин використовують одразу після приготування.

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ

а) Основні: 1. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия. – М:Высшая школа, 2001. – С.301 – 341.

2. Кузьма Ю.Б., Чабан Н.Ф., Ломницька Я.Ф. Аналітична хімія. – Львів: Видавництво «Центр» Львівського національного університету ім. І.Франка. – 2001. С. –

3. Гайдукевич О.М., Болотов В.В. та ін. Аналітична хімія. – Харків “Основа”, 2000. – С. 260-305.

4. Пономарев В.Д. Аналитическая химия. Т.2 – М.: Высшая школа, 1982. – Ч. 2. С. 105-130, Ч. 1. С. 85 – 107.

б) Додаткові: 1. Шемякин Ф.М., Карпов А.Н., Брусенцов А.Н. Аналитическая химия. – М.: Высшая школа, 1965. – С. 500- 538.

2. Крешков А.П. Основы аналитической химии Т.2. – М.: Химия,1976. – Ч. 2. С.219– 263. Ч. 1. С. 83 – 103.