Фотометрический метод

Фотометричний метод

 

 Принципи фотометрії

 

У фотометричних методах використовують виборче поглинання світла молекулами аналізованої речовини. Відповідно до квантової механіки світло являє собою потік часток, називаних квантами чи фотонами. Енергія кожного кванта визначається довжиною хвилі випромінювання. У результаті поглинання випромінювання молекула поглинаючого речовини переходить з основного стану з мінімальною енергією E1 у більш високий енергетичний стан Е2. Електронні переходи, викликані поглинанням строго визначених квантів світлової енергії, характеризуються наявністю строго визначених смуг поглинання в електронних спектрах поглинаючих молекул.

Причому поглинання світла відбувається тільки в тому випадку, коли енергія кванта, що поглинається, збігається з різницею енергій ΔЕ між квантовими енергетичними рівнями  в кінцевому (E₂) і початковому (E₁) станах поглинаючої молекули:

 

hv = ΔЕ = Е2 – E1

Тут h – постійна Планка (h = 6,625*10–34 Дж*с); v – частота випромінювання, що поглинається, що визначається енергією поглиненого кванта і виражається відношенням швидкості поширення випромінювання з (швидкості світлової хвилі у вакуумі с = 3*1010 см/с) до довжини хвилі λ: v = с/λ. Частота випромінювання v виміряється в зворотних секундах (с-1), герцах (Гц). 1 Гц = 1 с-1.

 

Довжина хвилі λ виміряється в ангстремах (1 A = 1*10–8 см), мікрометрах чи мікронах (1 мкм = 1 мк = 1*10–6 м), нанометрах чи мілімікронах (1 нм = 1 ммк = 10 A = 1*10–9 м).

Енергія випромінювання характеризується електромагнітним спектром, що охоплює область від кілометрових радіохвиль до десятих часток ангстрема γ-випромінювання і космічних променів. Для характеристики ділянки спектра часто використовують також хвильове число θ, що показує, яке число довжин хвиль приходиться на 1 см шляху випромінювання у вакуумі, і визначається співвідношенням: θ = 1/λ.

У залежності від використовуваної апаратури у фотометричному аналізі розрізняють спектрофотометричний метод – аналіз по поглинанню монохроматичного світла і фотоколориметричний – аналіз по поглинанню поліхроматичного (немонохроматичного) світла у видимій області спектра. Обидва методи засновані на пропорційній залежності між світлопоглинанням і концентрацією поглинаючої речовини.

. Основні закономірності світлопоглинання

 

При проходженні через шар речовини (розчину) світлового потоку з інтенсивністю I0 його інтенсивність у результаті поглинання в шарі, відображення і розсіювання зменшується до значення I.

Відношення:

 

T = I/I0

називають пропусканням; його значення можуть змінюватися від 0 до 1. Часто цю величину виражають у відсотках. Якщо величина Т віднесена до товщини шару в 1 см, то її називають коефіцієнтом пропускання. Поглинання випромінювання характеризують оптичною щільністю:

A = lg(I0/I) = –lgT

Зв'язок між концентрацією поглинаючого розчину і його оптичною щільністю lg(I0/I) виражається законом Бера, відповідно до якого оптична щільність розчину прямо пропорційна концентрації розчиненої речовини при постійній товщині шару:

lg(I0/I) = k*1*C (2)

де k*1 – коефіцієнт пропорційності; С – концентрація розчиненої речовини. Залежність інтенсивності монохроматичного світлового потоку, що пройшов через шар забарвленого розчину, від інтенсивності падаючого потоку світла, концентрації забарвленої речовини і товщини шару розчину визначається об'єднаним законом Бугера-Ламберта-Бера, що є основним законом світлопоглинання і лежить в основі більшості фотометричних методів аналізу:

I = I0*10–kCl (3)

де k – коефіцієнт светопоглощения, що залежить від природи розчиненої речовини, температури, розчинника і довжини хвилі світла.

При дотриманні основного закону светопоглощения оптична щільність розчину прямо пропорційна молярному коефіцієнту светопоглощения, концентрації поглинаючого речовини і товщині шаруючи розчину:

 

А = kCl (5)

 

При графічному зображенні залежності оптичної щільності від концентрації (при постійному значенні l) виходить пряма лінія. Ця пряма проходить через початок координат при відсутності поглинання світла розчинником і систематичними погрішностями.

Рівняння 4 і 5 виведені для монохроматичного світла, тобто світла визначеної довжини хвилі, що може бути виділений за допомогою спеціального оптичного пристрою – монохроматора. У фотоколориметрі вимір інтенсивності світлових потоків роблять не в монохроматичному, а в поліхроматичному світлі, тобто на досить широкій ділянці спектра – в інтервалі довжин хвиль 20–100 нм.

. Устаткування для фотометричних вимірів

 

Для фотометричних вимірів використовують дві великі групи приладів: фотоколориметри і спектрофотометри.

У колориметрах потрібні спектральні діапазони виділяються за допомогою світлофільтрів, що обмежують ділянки спектра, у яких можуть проводиться виміри. У спектрофотометрах ділянки спектра виділяються за допомогою призм чи дифракційних ґрат, що дозволяє встановлювати будь-як довжину хвилі в заданому діапазоні.

Конкретна послідовність операцій при вимірі оптичної щільності чи пропускання залежить від конструкції чи спектрофотометра колориметра.

Однак основні принципи залишаються незмінними. Спочатку встановлюють необхідну довжину хвилі, вибираючи світлофільтр на колориметрі чи обертаючи відповідну рукоятку на спектрофотометрі. Потім установлюють нуль. Для цього у світловий потік поміщають кювету зі стандартним розчином. Змінюючи ширину щілини, домагаються того, щоб показання приладу відповідали величині, передбаченою інструкцією. На наступному етапі стандартний розчин заміняють досліджуваним і роблять відлік величини оптичної щільності чи пропускання.

Фотоелектроколориметр – це оптичний прилад, у якому монохроматизация потоку випромінювання здійснюється за допомогою світлофільтрів.

Сучасні спектрофотометри дозволяють працювати з високомонохроматизированим потоком випромінювання. Вони застосовуються для концентраційного аналізу і при вивченні спектрів поглинання речовин.

Структурну схему спектрофотометра можна представити у виді наступних основних блоків:

• джерело світла,

• монохроматор,

• кюветне відділення,        
• пристрій, що реєструє,
• фотоелемент.

Світловий пучок від джерела світла попадає в монохроматор через вхідну щілину і розкладається дифракційними ґратами чи призмою в спектр. У монохроматичний потік випромінювання, що надходить з вихідної щілини в кюветное відділення, по черзі вводяться контрольний і досліджуваний зразки. Випромінювання, що пройшло через кювету, попадає на фотоелемент, що перетворює світлову енергію в електричну. Електричний сигнал потім підсилюється і реєструється.

Монохроматор – це оптична система, що виділяє з усього спектра джерела світла випромінювання визначеної довжини хвилі. Це звичайно призми, що по-різному переломлюють світло різних довжин хвиль, чи дифракційні ґрати. У видимій області використовуються звичайні скляні призми, але в ультрафіолетовій області вони не годяться, оскільки скло починає поглинати вже при λ < 400 нм, тому призми роблять із кварцу.

Як монохроматори застосовуються також дифракційні ґрати, що являють собою плоскопаралельну пластину з нанесеними на ній рівнобіжними лініями – борозенками. Біле світло через дифракцію на рівнобіжних борозенках розкладається на безупинний спектр. Звичайно в монохроматорах спочатку виділяють пучок світла з визначеним діапазоном довжин хвиль за допомогою призми, а потім розкладають його ще раз ґратами. Так одержують строго монохроматичне світло. Основне достоїнство дифракційних ґрат полягає в тому, що можна збільшувати їхню здатність, оскільки вона прямо пропорційна щільності ліній. Крім того, у всьому діапазоні довжин хвиль дифракційні ґрати мають лінійну роздільну здатність, тоді як роздільна здатність призменного монохроматора зі збільшенням довжини хвилі зменшується.

Досліджувану речовину розчиняють у відповідному розчині і поміщають в оптично прозору судину для вимірів – кювету. Звичайно кюветотримач має осередку для чотирьох кювет. Оскільки стекло поглинає ультрафіолетове світло, для проведення вимірів в ультрафіолетовій області спектра використовують кварцові кювети. Для вимірів у видимій області можна використовувати пластикові чи скляні кювети. При роботі з леткими чи хімічно активними речовинами кювети закривають кришками.

Оскільки кювета, поміщена в спектрофотометр, стає складовою частиною його оптичної системи, з нею потрібно поводитись дуже акуратно. Подряпини і бруд на стінках кювети сильно розсіюють і поглинають світло, спотворюючи результати вимірів. Про цьому особливо треба пам'ятати при роботі в ультрафіолетовій області. Кювети можна протирати м'якими тканинами, наприклад, з бавовни. Не рекомендується використовувати для цих цілей фільтрувальний папір. Оскільки органічні молекули поглинають в ультрафіолетовій області, ні в якому разі не можна торкатися оптичних (прозорих) стінок кювети. Розчин краще заливати в кювету, поставивши її в попередньо вийнятий із приладу кюветотримач. Кювети досить тендітні, особливо кварцові, тому працювати з ними треба обережно, не допускаючи механічних ушкоджень.

Уміст кювети повинний бути гомогенним – це необхідна умова одержання відтворених даних. Потрібно стежити за тим, щоб розчин не був мутним. Особливо заважають вимірам пухирці повітря, що сильно збільшують розсіювання. Не можна наливати в кювету дуже холодний розчин, оскільки при цьому на зовнішніх стінках кювети конденсуються пари води повітря, і стінки стають непрозорими.

Якщо кювети забруднені сторонніми домішками, їх варто промити дистильованою водою і (чи) розчинником, у якому розчинена досліджувана речовина. Кювети можна мити м'якими детергентами. Не рекомендується мити кювети концентрованими кислотами чи лугами, а також іншими агентами, що отруйні.

Кювети потрібно заповнювати до такого рівня, щоб потік випромінювання проходив цілком через шар розчину. Найчастіше використовуються кювети з оптичним шляхом 1 см, у які звичайно заливають 2,5–3 мл розчини. У такі кювети входить 4–5 мл, але заповнюють їхній цілком лише в тому випадку, коли це необхідно. Є кювети з оптичним шляхом 50, 20, 5, 2 і 1 мм.

Фотоелементи перетворюють світлову енергію в електричну. Електричний сигнал потім підсилюється і реєструється.

Фотони, бомбардуючи поверхню фотоелемента, вибивають з нього електрони, кількість яких пропорційно інтенсивності світла. Ці електрони летять до позитивного електрода. У результаті в замкнутому ланцюзі виникає електричний струм, що реєструється по спаданню напруги на опорі, що знаходиться в цьому ланцюзі. Напругу можна підсилити, і після компенсації такого сигналу потенціометром, відградуюванним в одиницях поглинання, на датчику реєструється безпосереднє поглинання зразка.

Фотомножники звичайно більш чуттєві, чим прості фотоелементи.

Це відбувається через те, що електрони, що вилетіли з фоточуттєвого шару, прискорюються високою напругою, а через зіткнення в газі виникають вторинні електрони, що і приводить до зростання струму.

Від розміру щілини залежить діапазон довжин хвиль світла, що падає на зразок. Тому для одержання надійних результатів треба працювати при мінімально вузькій для даних умов експерименту щілини. Якщо щілина обрана правильно, то при зміні її розмірів удвічі показання приладу не міняються.

Звичайно нульове значення поглинання встановлюють щілиною, але в гарних спектрофотометрах це роблять, змінюючи напругу фотоелемента. Таке регулювання дозволяє працювати при постійній ширині щілини.

При визначенні концентрації речовини в розчині за допомогою каліброваного графіка слід дотримуватися наступної послідовності:

• вибрати світлофільтр;
• вибрати кювету;
• побудувати градуювочну криву;
• вимірити оптичну щільність досліджуваного розчину і визначити його концентрацію, використовуючи градуювочну криву.

Наявність у колориметрі вузла світлофільтрів і набору кювет дозволяє підібрати таке їхнє сполучення, при якому погрішність у визначенні концентрації буде мінімальною.

Якщо спектральні характеристики забарвленої речовини невідомі, світлофільтр для роботи можна вибрати самостійно. У видимій частині спектра сприйманий колір є результат виборчого поглинання визначеної ділянки спектра білого світла. Колір розчину є додатковим до кольору поглинання випромінювання. Тому вимір поглинання варто проводити в додатковій для кольорової реакції області спектра. Так, якщо розчин забарвлений у синьо-зелений колір, те потрібно вимірювати поглинання цим розчином червоного кольору.

Більш точний вибір світлофільтра здійснюється в такий спосіб:

Налийте пофарбований розчин у кювету і визначите оптичну щільність для усіх світлофільтрів.

По отриманим даним побудуйте криву, відкладаючи по горизонтальній осі довжини хвиль, що відповідають максимуму коефіцієнта пропускання світлофільтрів, а по вертикальній осі – відповідні значення оптичної щільності розчину.

 Відзначте ту ділянку кривої, для якого виконуються наступні умови:

• оптична щільність має максимальну величину;
• хід кривої приблизно рівнобіжний горизонтальної осі, тобто оптична щільність мало залежить від довжини хвиль.

Світлофільтр для роботи вибирається так, щоб довжина хвилі, що відповідає максимуму коефіцієнта пропущення світлофільтра, приходилася на відзначений вище ділянку спектральної кривої випробуваного розчину.