Фотометрические измерения

Фотометрические методы анализа

 

Тема. Абсорбционный молекулярный анализ (часть 2)

 

Молекулярный абсорбционный анализ можно классифицировать в соответствии с участком электромагнитного спектра, используемого для облучения анализируемого вещества. В этом случае название метода соответствует названию области спектра.

· Ультрафиолетовая (УФ)-спектрометрия. Для облучения используется ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн180 … 400 нм.

· Спектрометрия в видимой области. Для облучения используется видимое излучение в диапазоне длин волн 400 …760 нм.

· Ближняя инфракрасная (БИК)-спектрометрия. Для облучения используется ИК-излучение в диапазоне длин волн 760 нм…1000 нм.

 

Метод молекулярной абсорбционной спектрометрии в УФ- и видимой областях спектра обычно называют спектрофотометрией.

В зависимости от типа абсорбционных спектральных приборов различают фотометрический и спектрофотометрический методы. Их сравнительная характеристика приведена в табл. 1.

Таблица 1. Фотометрические методы анализа

 

Метод	Тип прибора	Рабочая область спектра, нм	Способ монохроматизации	Регистрируемые сигналы
Фотометрия	Фотометр (фотоколори-метр)	Видимая 400–750	Светофильтр	Оптическая плотность (А) и пропускание (Т) в диапазоне длин волн, отвечающем полосе пропускания светофильтра
Спектрофото-метрия	Спектрофото-метр	УФ, видимая и ближняя ИК 180–1000	Монохроматор или полихроматор	Оптическая плотность (А) и пропускание (Т) при фиксированной длине волны; электронные спектры поглощения в виде кривых А = f(l), A = f(n), T = f(l), T = f(n)

 

Оба метода объединяют в одну группу фотометрических методов анализа. Когда определение проводят в видимой части спектра, часто используют термин фотоколориметрия (от лат. color – цвет), поскольку имеют дело с окрашенными растворами.

Анализ состоит из следующих стадий:

§ -переведение анализируемого вещества в раствор и отделение при необходимости мешающих компонентов.

Фотометрируемый раствор должен быть истинным(однородным) во всем диапазоне определяемых концентраций. Анализируемый раствор должен обладать сильным селективным (избирательным) поглощением, т.е. быть окрашенным. Если раствор не имеет собственной окраски, его переводят в окрашенную форму, применяя реактивы. Необходимо подобрать фотометрический реагент и условие фотометрической реакции. Фотометрический реагент подбирают так, чтобы молярный коэффициент светопоглощения окрашенной формы вещества был по возможности большим, а условия анализа (рН раствора, соотношение концентрации определяемого вещества и ФМР, температура, природа растворителя) – как можно проще.

§ -приготовление раствора сравнения. Раствором сравнения может быть:

- растворитель, содержащий все компоненты (ФМР и т.д.), кроме анализируемого вещества

-раствор определяемого вещества, с которым проведены те же фотометрические реакции, что и с анализируемым раствором, но концентрация раствора точно известна.

-дистиллированная вода

§ Приготовление шкалы стандартных растворов

§ Измерение оптической плотности шкалы стандартных растворов и анализируемых проб

§ Получение результатов анализа

Фотометрические измерения

проводят на приборах: фотоколориметры и спектрофотометры.

При всем многообразии приборов абсорбционной спектроскопии, в каждом из них можно выделить основные узлы, функции которых одинаковы для всех типов приборов:

-источник света (вольфрамовые лампы накаливания, газонаполненные лампы)

- монохроматор

-кювета с раствором

-приемник излучения

§ Монохроматор – это устройство, для получения света с фиксированной длиной волны, т.е. монохроматического излучения. Для этого используют такие оптические явления, как поглощение, преломление, дифракция и интерференция света. В УФ-области используют призмы из кварца, в видимой области – призмы из оптического стекла.

В монохроматоре монтируются линзы, поворотные зеркала, служащие для создания параллельного пучка света, изменения направления хода лучей, увеличения длины оптического пути, фокусирования света и уравнивания световых потоков в двулучевых спектрометрах.

В фотоколориметре используют абсорбционные и интерференционные светофильтры. Абсорбционные светофильтры представляют собой цветные стекла или стеклянные пластинки, между которыми помещен краситель, суспендированный в желатине. Первые обычно более термически устойчивы. Абсорбционные светофильтры пропускают излучение ограниченного интервала длин волн, порядка 30 - 50 нм, а остальные поглощают.

Интерференционные светофильтры характеризуются прозрачностью 30-80 % и диапазон длин волн, который они пропускают, равен 5 нм. Светофильтр состоит из двух тончайших полупрозрачных слоев серебра, между которыми находится слой диэлектрика.

 

Рисунок 1-светофильтры

В призменном монохроматоре излучение проходит через входящую щель, сводится линзой в параллельный пучок и затем попадает под углом на поверхность призмы. На обеих гранях призмы происходит преломление (фиолетовый свет преломляется больше всего, красный свет – меньше всего); разложенное излучение фокусируется на слегка изогнутой поверхности, на которой расположена выходная щель. Поворотом призмы можно направить в эту щель излучение с требуемой длиной волны.

Рисунок 2-Призменный монохроматор

Дифракционная решётка — оптический прибор, действие которого основано на использовании явления дифракции света. Представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.

Дифракционные решетки изготавливают нанесением параллельных штрихов на стекло или другой прозрачный материал (до 6000 штрихов на 1 см). При освещении дифракционной решетки потоком излучения, прошедшим через входную щель, каждый штрих становится источником излучения. В результате интерференции многочисленных потоков излучение разлагается в спектр.

 

Рисунок 3-Дифракционная решётка

Оптимальную длину волны определяют по спектральной характеристике раствора (спектр поглощения)

Спектр поглощения — зависимость оптической плотности или светопропускания раствора от длины волны света. Он связан с энергетическими переходами в веществе. Для различных веществ спектры поглощения различны.

 

 Рисунок 4- Спектр поглощения

 

· Кюветы.

Исследуемый объект помещается в кювету, изготовленную из кварцевого стекла для УФ- области или из оптического стекла для видимой области. Кювета имеет прямоугольную форму, толщина слоя бывает 2, 5, 10, 20 и 50 мм и выполняется в заводских условиях при изготовлении кювет с точностью до 0,01 мм. Грани, через которые проходит пучок света к приемнику излучения, называются оптическими, они должны быть плоскопараллельными.

 

 

 

Рисунок 5-Кюветы

· Приемники излучения

– это фотоэлемент или фотоумножитель; используется явление внешнего фотоэффекта для преобразования светового сигнала в электрический ток.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте.

Закон Столетова:сила фототока прямо пропорциональна интенсивности светового излучения

Используют сурмяноцезиевые (180 – 650 нм) и кислородноцезиевые (600 – 1100 нм) фотоэлементы

 

Рисунок 6- Фотоэлементы

 

· Блок регистрации

Сигнал регистрируется прибором на экране компьютера или на бланке в координатах А - λ. В цифровых регистрирующих приборах на табло высвечивается либо значение А, либо Т. На стрелочных приборах шкала равномерно проградуирована в величинах Т – коэффициента пропускания, %, и неравномерно как логарифмическая шкала в единицах оптической плотности А=lg1/Т.

 

· Принципиальные схемы приборов

Принципиальная схема двулучевого колориметра

 

 

Измерение оптической плотности на двулучевом колориметре проводят компенсационным методом

 

 

 

Рисунок 5 -Двулучевой колориметр

 

Принципиальная оптическая схема однолучевого фотоколориметра

Свет от галогенной малогабаритной лампы проходит последовательно через систему линз, теплозащитный 2, нейтральный 3, выбранный цветной 4 светофильтры, кювету 5 с раствором, попадает на пластину 6, которая делит световой поток на два: 10 % света направляется на фотодиод (при измерениях в области спектра 590-980 нм) и 90 % — на фотоэлемент (при измерениях в области спектра 315-540 нм).

. 1 — источник света; 2 — теплозащитный светофильтр;

3 — нейтральный светофильтр; 4 — цветной светофильтр;

5 — кювета с исследуемым раствором или раствором сравнения;

6 — пластина, которая делит световой поток на два потока;

7 — фотодиод; 8 — фотоэлемент

 

 

Рисунок 7-Однолучевого фотоколориметр

Измерение оптической плотности на однолучевом колориметре

И спектрофотометре проводят методом пропорциональных отклонений

· Количественный анализ.

Концентрацию определяемого компонента, как в любом физическом методе, находят из градуировочного графика, построенного в координатах «Оптическая плотность А – концентрация определяемого компонента С(ОК) в градуировочных растворах».

Рис. 9.6 Спектры поглощения определяемого компонента в условиях когда С1 < С2 < С3 < С4

Рис. 9.7 Типичный градуировочный график в спектрофотометрии при соблюдении закона Бугера–Ламберта–Бера

 

Для этого готовят не менее 8-и градуировочных растворов, подбирая концентрацию определяемого компонента такую, чтобы оптическая плотность серии изменялась от 0,1 до 1,3. Градуировочные растворы готовят разбавлением стандартного раствора, приготовленного из вещества сравнения. Вещество сравнения выбирают близким по химическому составу с формой нахождения определяемого компонента в пробе анализируемого вещества. Иначе возможно появление методической погрешности. Спектрофотометрия – это матричнозависимый метод, поэтому нельзя одним и тем же градуировочным графиком пользоваться даже внутри класса анализируемых веществ. Кроме градуировочных обязательно готовят раствор сравнения, который представляет собой либо растворитель, либо раствор, содержащий все компоненты, кроме определяемого. Измеряют в одинаковых условиях спектры всех приготовленных растворов относительно раствора сравнения. Выбирают по определенным критериям оптимальную аналитическую длину волны. Для этого измеряют полный спектр вещества на данном средстве измерения. Градуировочный график может быть построен при любой фиксированной длине волны, однако в реальных системах не при всех длинах волн выполняется основной закон светопоглощения. Выбор аналитической длины волны – это исследовательская длительная трудоёмкая работа, она относится к задачам оптимизации и может быть решена с помощью аппарата планирования оптимального эксперимента.

Функция Аl = f(l) имеет один и тот же вид независимо от толщины слоя и концентрации раствора, и положение максимума поглощения сохраняется Строят градуировочный график при выбранной длине волны. Затем при выбранной длине волны измеряют оптическую плотность раствора анализируемого вещества Ах, содержащего определяемый компонент, и по градуировочному графику находят соответствующее Ах значение концентрации этого компонента Сх.