Фотометрические методы анализа

Оптические методы анализа

Оптические методы анализа основаны на измерении оптических свойств веществ.

Классифицируют оптические методы анализа различным образом:

– по изучаемым объектам;

– характеру взаимодействия электромагнитного излучения с веществом;

– области используемого электромагнитного спектра;

– природе энергетических переходов.

Фотометрические методы анализа

Все вещества поглощают электромагнитные излучения. Вещества, поглощающие излучение в видимой области спектра (длина волны 400–760 нм), характеризуются собственной окраской. Фотометрические методы анализа основаны на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через вещество или его раствор. В зависимости от длины волны, ширины полосы излучения и способа измерения интенсивности светового потока различают следующие фотометрические методы:

1) колориметрию, которая основана на визуальном сравнении интенсивности окраски анализируемого раствора с интенсивностью окраски раствора того же вещества известной концентрации (стандартный раствор);

2) фотоэлектроколориметрию, основанную на измерении интенсивности света в видимой части спектра; для монохроматизации света применяют светофильтры (рисунок 1);

Рисунок 1 - Оптическая схема фотоколориметра КФК-2 МП:

1 – источник света; 2 – конденсор; 3 – диафрагма; 4, 5 – линзы объектива;

6 – светофильтр; 7 – кювета; 8 – защитное стекло; 9 – фотодиод (590 – 980 нм);

10 – пластинка, делящая световой поток; 11 – фотоэлемент (315 – 540 нм)

 

3) спектрофотометрию, в основе которой использование монохроматического света как в видимой, так и в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра; для монохроматизации света применяются дифракционные решетки и призмы (рисунок. 2).

Рисунок 2 –Схема спектрофотометра

В основе фотометрических измерений и расчетов лежат два закона светопоглощения (два закона фотометрии).

Первый закон светопоглощения: доля светового потока, поглощенного однородной средой, прямо пропорциональна толщине поглощающего слоя:

 

где I0 – интенсивность входящего светового потока;

It – интенсивность прошедшего светового потока;

l – толщина поглощающего слоя;

k1 – коэффициент пропорциональности (коэффициент светопоглощения).

Второй закон светопоглощения: доля светового потока, поглощенного тонким слоем внутри однородной среды, пропорциональна числу светопоглощающих частиц в единице объема, т.е. концентрации:

 

где с – концентрация вещества в растворе;

k2 – коэффициент пропорциональности.

 

В 1852 году немецкий ученый А. Бер установил зависимость светопоглощения от концентрации поглощающей среды на основании исследования поглощения света окрашенными растворами. Оба закона светопоглощения объединяют в один, объединенный основной закон светопоглощения Бугера – Ламберта – Бера, который можно представить в логарифмической форме:

где А – оптическая плотность;

ε (ε = k/2,3) – молярный коэффициент поглощения;

с – концентрация светопоглощающих частиц в данной среде;

l – толщина светопоглощающего слоя.

Оптическая плотность А – безразмерная величина. Молярный коэффициент поглощения измеряют в единицах л·моль^-1·см^-1.

Численно молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности данного раствора при концентрации растворенного светопоглощающего вещества с = 1 моль/л и толщине поглощающего слоя l = 1 см.

Оптическую плотность (абсорбцию) вычисляют по формуле

где I0 – интенсивность входящего светового потока;

I – интенсивность светового потока, прошедшего через поглощающую среду.

Кроме оптической плотности А, используют также светопропускание, Т:

Оптическая плотность и светопропускание связаны следующей формулой:

Закон Бугера – Ламберта – Бера: оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации светопоглощающего вещества, толщине слоя раствора и молярному коэффициенту светопоглощения.

Оптическую плотность раствора измеряют фотоэлектроколориметрами и спектрофотометрами. Принцип работы фотоэлектроколориметра заключается в том, что световой поток, прошедший через кювету с раствором, попадает на фотоэлемент, который преобразует энергию света в электрическую энергию, измеряемую микроамперметром. Отклонение стрелки микроамперметра пропорционально интенсивности падающего света.

Для измерения светопоглощения выбирают такую спектральную область (или длину волны), в которой возможен минимальный предел обнаружения. В фотоэлектроколориметрах это достигается применением светофильтров, пропускающих определенную полосу лучей света. Необходимо, чтобы цвет светофильтра был дополнительным по отношению к окраске раствора, т.е. при выборе светофильтра руководствуются окраской анализируемого раствора (таблица 1).

Таблица 1

Характеристика окрашенных растворов и соответствующих светофильтров

Оптическую плотность анализируемого раствора измеряют последовательно при всех светофильтрах и выбирают тот, при котором оптическая плотность наибольшая.

Спектрофотометрия основана на тех же законах светопоглощения, что и фотоэлектроколориметрия. Основным преимуществом спектрофотометрии по сравнению с фотоэлектроколориметрией является возможность измерения оптической плотности в монохроматическом свете как в видимой, так и в ближней ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Наиболее правильные результаты получают, когда оптическая плотность раствора находится на уровне ~ 0,4. Если оптическая плотность превышает 0,8, то применяют кюветы с меньшей толщиной светопоглощающего слоя. Напротив, при оптической плотности 0,1 и менее следует пользоваться кюветами с большей толщиной свето-

поглощающего слоя.