6.3. Фотометрический метод

Фотометрический метод – один из самых распространенных физико-химических методов. Он основан на свойстве растворов поглощать проходящий через них свет. Данный метод прост, имеет высокую чувствительность и может применяться для определения концентраций практически всех элементов Периодической системы и большого количества органических веществ. Степень поглощения характерна для каждого вещества и зависит от его концентрации в растворе. Большинство веществ сами энергию излучения слабо поглощают, поэтому обычно определяемый компонент с помощью какого-то конкретного реактива переводят в определенное химическое соединение, обладающее более сильным эффектом светопоглощения. Таким образом, при фотометрическом методе измеряют концентрацию химического соединения, а не анализируемого вещества. Исходя из примененного реактива, а следовательно, состава образовавшегося соединения, по результатам измерения рассчитывают концентрацию анализируемого вещества.

В аналитической практике применяют в основном два способа измерения – колориметрический («колор» – цвет) и фотоэлектроколориметрический. Первый основан на преднамеренном переводе анализируемого компонента в соединение с характерной окраской. Интенсивность окраски зависит от его концентрации. Ее оценивают визуально по сравнению со стандартным раствором, имеющим известную концентрацию анализируемого вещества. Для измерений составляют набор стандартных растворов во всем диапазоне интересующих значений концентрации. Колориметрический способ измерения обладает невысокой точностью, но благодаря простоте исполнения его широко применяют. При фотоэлектроколориметрическом способе концентрацию определяют по степени ослабления интенсивности первоначального светового потока с помощью фотоэлементов. Фото-электроколориметры имеют шкалы, отградуированные не в единицах концентрации, а в единицах оптической плотности. При измерении используют градуировочные характеристики «оптическая плотность–концентрация».

Фотометрический анализатор имеет следующие основные узлы: источник света; монохроматор; кюветы, в которых находятся анали-зируемый и сравнительный растворы; узел измерения интенсивности света. Монохроматор – это устройство, выделяющее из широкого спектра потока излучения узкую часть длин волн, при которых фотометрический эффект проявляется с наибольшей чувствительностью. В качестве монохроматоров используют светофильтры, призмы и дифракционные решетки.

По конструктивному признаку фотометрические анализаторы делятся на одно- и двухлучевые. В первых на пути светового потока помещают последовательно кюветы с анализируемой пробой и образцом сравнения и измеряют соответствующие соотношения интенсивности потока излучения. Эти приборы просты, но требуют высокостабильных источников излучения и приемников. В двухлучевых анализаторах обе кюветы помещены в разные потоки излучения, поэтому в них, кроме указанных выше элементов, входят делитель потока света, система модуляции для разделения сигналов от обоих потоков и оптическое устройство для соединения обоих потоков на один приемник. Эти приборы обладают существенно лучшей стабильностью и используются преимущественно для непрерывной записи спектров и для измерений, требующих особенно высокой стабильности. Веществ и соединений, поглощающих свет равномерно во всех участках спектра, известно очень мало. Большинство же поглощают преимущественно излучение в каком-то характерном участке спектра, в связи с чем измерение при определенной длине волны (такое излучение называют монохроматическим), соответствующей максимуму поглощения, имеет более высокую чувствительность. Кроме того, снижается влияние сопутствующих веществ.

В зависимости от ширины выделенного участка спектра разли-чают фотоэлектроколориметры (ФЭК, КФК) и спектрофотометры (СФ). Спектрофотометры отличаются тем, что в них выделяется значительно более узкий участок спектра, их можно настраивать на различные требуемые значения длины волны, и именно те, в которых анализируемое вещество (точнее – образованное соединение) «оптически реагирует» с наибольшей чувствительностью. Это позволяет с его помощью изучать поглощение света в отдельных участках спектра, т. е. вести наблюдения по всему спектру поглощения и таким образом выбирать оптимальные условия измерения. Однако фотоэлектроколориметры значительно проще по конструкции и в работе.

На рис. 6.7 показана оптическая схема двухлучевого фотоэлектроколориметра. Верхний луч (по схеме) является измерительным, нижний – компенсационным. Нить лампы Л посредством двух конденсаторов К₁ и К₂ и двух зеркал З₁ и З₂ изображается на линзах О₁ и О₂. Эти изображения нити проецируются линзами О₁, О₂ и сводятся зеркалами З₃, З₄ и призмой П в фотоэлемент Ф. Модулятор М модулирует верхний и нижний световые потоки в противофазе. Эти потоки, пройдя светофильтры С₁ и С₂ и кюветы К, попадают на фотоэлемент и возбуждают переменный электрический ток, пропорциональный разности световых потоков обеих ветвей прибора. В верхний световой поток включают кюветы с раствором, диафрагма Д₁ при этом полностью открыта (отсчет 100 по шкале пропускания). Изменяя площадь диафрагмы Д₂, уравнивают интенсивность обоих световых потоков, что соответствует нулевому положению стрелки микроамперметра. Затем кювету с раствором заменяют такой же кюветой с растворителем или контрольным раствором, который более прозрачен, чем анализируемый. Изменяя диафрагму Д₁, уменьшают интенсивность светового потока этой ветви до первоначальной, т. е. вновь подводят стрелку микроамперметра к нулевому положению. Полученный отсчет по шкале измерительной диафрагмы будет соответствовать отношению значений светового потока, прошедшего через раствор, к значению светового потока, прошедшего через растворитель или контрольный раствор, и таким образом даст значение пропускания раствора по отношению к растворителю или контрольному раствору.

Рис. 6.7. Фотоэлектроколориметр:

Л – лампа; К₁, К₂ – конденсаторы; З₁, З₂, З₃, З₄ – зеркала;

О₁, О₂ – линзы; П – призма; Ф – фотоэлемент; М – модулятор;

С₁, С₂ – светофильтры; К – кюветы; Д₁, Д₂ – диафрагмы

На рис. 6.8 показана оптическая схема спектрофотометра СФ-18, состоящего из спектральной (двойного монохроматора) и фотометрической частей. Нить лампы 1 фокусируется конденсатором 2 через входную щель 3 в плоскость объектива 4. Входная щель расположена в фокальной плоскости объектива. Выходящий из него параллельный пучок света проходит диспергирующую призму 5 и разлагается в спектр. Объектив 6 первого монохроматора дает спектральное изображение входной щели в плоскости средней щели. Последняя, образованная поворотным зеркалом 7 и ножом 8, вырезает участок спект-ра, который проходит во второй монохроматор и проецируется в плоскость выходной щели 9.

При выходе из второго монохроматора пучок света попадает в фотометрическую часть прибора. Сначала пучок проходит через линзу 10 и двоякопреломляющую призму 11, где разделяется на два поляризованных пучка во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одно изображение, расположенное на оптической оси системы, проходит через призму 13 и линзу 14; другое, смещенное, срезается диафрагмой 12. Линза 14 дает изображение выходной щели в плоскости полулинз 15, установленных внутри модулятора света. Вследствие двойного лучепреломления призмы 13 в плоскости полулинз 15 получаются два изображения выходной щели. Пройдя через полулинзы 15 и контрольный и анализируемый образцы, пучки отклоняются на 90° призмами 16, затем через входные окна 17 шара 18 падают на окна 19, к которым прижимаются две белые заглушки. Свет суммируется шаром и освещает фотоэлемент, расположенный за выходным окном шара.

Рис. 6.8. Спектрофотометр СФ-18:

1 – лампа; 2 – конденсатор; 3 – входная щель; 4, 6 – объективы;

5 – диспергирующая призма; 7 – зеркало; 8 – нож; 9 – выходная щель; 10, 14 – линзы; 11 – двоякопреломляющая призма; 12 – диафрагма; 13, 16 – призмы; 15 – полулинза; 17 – входное окно;

18 – шар; 19 – выходные окна

Принцип действия прибора основан на нулевом методе и за-ключается в следующем. Монохроматический пучок света делится призмой 11 на два плоскополяризованных пучка. Один пучок диаф-рагмируется, другой проходит через призму 13 и снова делится на два пучка, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Так как на призму 13 падает плоскополяризованный свет, интенсивность его за призмой определяется угловым положением относительно нее призмы 11. Далее пучки поочередно перекрываются вращающимся модулятором таким образом, что интенсивность света в каждом пучке изменяется по трапецеидальной форме и началу открытия одного пучка соответствует начало закрытия другого. Свет, прошедший через контрольный и измеряемый образцы, попадает в интегрирующий шар и после многократного отражения от его стенок освещает фотоэлемент.

Освещенность фотоэлемента в каждый момент времени определяется суммой потоков, прошедших через контрольный и анализируемый образцы. Если световые потоки равны, освещенность фотоэлемента будет постоянной в любой момент времени и переменный сигнал на входе усилительной системы будет отсутствовать. При наличии поглощения в измерительном образце на входе усилителя появится сигнал с частотой, определяемой скоростью вращения модулятора. Этот сигнал после усиления подается на электродвигатель, который поворачивает призму Рошона до тех пор, пока не исчезнет разность световых потоков. Одновременно с поворотом призмы перемещается перо самописца.

Длина волны света, выходящего из монохроматора, изменяется путем перемещения вдоль спектра средней щели. Одновременно с этим поворачивается барабан записывающего устройства. Таким образом, на бланке, закрепленном на барабане, записывается кривая зависимости коэффициента пропускания или оптической плотности образца от длины волны.

В качестве примера на рис. 6.9 показана однолучевая оптическая схема фотоэлектроколориметра КФК-2. Принцип действия прибора основан на том, что на фотоприемник поочередно направляются полный F_0λ и прошедший через исследуемую среду F_λ световые потоки и рассчитывается их отношение, представляющее собой коэффициент пропускания. На колориметре это отношение находят следующим образом. Вначале в световой пучок помещают кювету с растворителем или контрольным раствором. Изменением чувствительности колориметра добиваются, чтобы отсчет по шкале коэффициентов пропускания колориметра n₁ был равен 100. Таким образом, полный световой поток F_0λ условно принимается равным 100 %. Затем в световой пучок помещают кювету с исследуемым раствором. Полученный отсчет n₂ по шкале коэффициентов пропускания колориметра будет соответствовать F_λ. Следовательно, этот отсчет есть значение коэффициента пропускания исследуемого раствора в процентах.

Рис. 6.9. Фотоэлектроколориметр КФК-2:

1 – лампа; 2 – конденсаторы; 3 – диафрагма; 4, 5 – линзы; 6 – теплозащитный светофильтр; 7, 8 – светофильтры; 9, 11 – защитные стекла; 10 – измерительная кювета; 12 – фотодиод; 13 – разделительная пластина;

14 – светофильтр; 15 – фотодиод

Оптическая плотность Д определяется как десятичный логарифм от коэффициента пропускания: Д = –lg F_λ/F_0λ.

Оптическая схема: нить лампы изображается конденсатором в плоскости диафрагмы диаметром 2 мм. Это изображение объективом переносится в плоскость, отстоящую от объектива на расстоянии 300 мм, с увеличением 10^х. Кювета с исследуемым раствором вводится в световой пучок между защитными стеклами. Для выделения узких участков из сплошного спектра излучения лампы в колориметре предусмотрены цветовые светофильтры. Теплозащитный светофильтр введен в световой пучок при работе в видимой области спектра (380–740) нм. Для ослабления светового потока при работе в спектральном диапазоне (400–540) нм установлены нейтральные светофильтры. Пластина 13 делит световой поток на два: один, около 10 %, направляется на фотодиод 12, работающий в области спектра (590–980) нм; второй, около 90 %, – на фотодиод 15 в области спектра (315–540) нм. Светофильтром выравниваются фототоки, сни-маемые с фотодиода при работе с различными цветовыми светофильтрами.

При работе с кюветами малой емкости в кюветное отделение устанавливают приставку для микроанализа. При этом одни линзы уменьшают световой поток в месте установки микрокюветы или пробирки, другие восстанавливают световой пучок до первоначального диаметра.

Колориметр КФК-2 имеет спектральный диапазон от 315 до 980 нм, который разбит на интервалы с помощью светофильтров. Коэффициент пропускания – от 1 до 100 % (оптическая плотность от 2 до 0). Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности колориметра по коэффициенту пропускания составляет ±1 %.

Фотоколориметр КФК-3 является двухлучевым. Принцип его действия основан на сравнении светового потока Ф₀, прошедшего через растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение, и светового потока Ф, прошедшего через исследуемую среду. Световые потоки Ф₀ и Ф преобразуются фотоприемником в электрические сигналы U₀, U и U_T (U_T – сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются компьютером фотометра и представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, скорости изменения оптической плотности, концентрации. На рис. 6.10 показана принципиальная оптическая схема фотометра КФК-3.

Нить лампы 1 изображается конденсатором 2 в плоскости диафрагмы Д₁ (0,8  4,0 мм), заполняя светом щель диафрагмы. Далее диафрагма Д₁ изображается вогнутой дифракционной решеткой 4 и вогнутым зеркалом 5 в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д₂ (0,8  4,0 мм). Дифракционная решетка и зеркало создают в плоскости диафрагмы Д₂ растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси, параллельной штрихам решетки, выделяют щелью диафрагмы Д₂ излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Объективы 7, 8 создают в кюветном отделении слабосходящийся пучок света и формируют увеличенное изображение щели Д₂ перед линзой 10. Линза сводит пучок света на приемнике 11 в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра (за диафрагмой Д₁) установлен светофильтр 3, который работает в схеме при измерениях в спектральной области (315–400) нм; затем из приемника 11 автоматически выводится измерительная информация. В кюветное отделение, между объективами 7, 8 и линзой 10, устанавливаются прямоугольные кюветы 9.

Д₁

Д₂

Рис. 6.10. Колориметр КФК-3

1 – лампа; 2 – конденсатор; 3 – светофильтр; 4, 6 – дифракционные решетки; 5 – зеркало; 7, 8 – объективы; 9 – кювета; 10 – линза; 11 – приемник; Д₁, Д₂ – диафрагмы

Коэффициент пропускания τ исследуемого раствора опреде-ляется как отношение потоков или сигналов:

 = 100 % = 100 %, (6.1)

где Ф, Ф₀ – световые потоки; U, U₀, U_T – электрические сигналы.

Оптическая плотность

D = lg = lg . (6.2)

Скорость изменения оптической плотности

А = , (6.3)

где D₂, D₁ – разность значений оптической плотности за временной интервал t, мин. Время t может принимать значения от 1 до 9 мин.

Концентрация

C = D F, (6.4)

где F – коэффициент факторизации, определяется потребителем и вводится с цифровой клавиатуры в пределах от 0,001 до 9999.

Одной из современных моделей спектрофотометров является СФ-2000 (далее – спектрофотометр). Он предназначен для измерения спектральных коэффициентов направленного пропускания жидких и твердых прозрачных образцов в диапазоне от 1 до 100 % в спект-ральном диапазоне от 200 до 1000 нм и может применяться при проведении биологических, биохимических, физических исследований, а также при контроле качества готовой продукции и контроле продукции по ходу технологического процесса в химической, микро-биологической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Предел допускаемого значения абсолютной погрешности спектрофотометра при измерении спектральных коэффициентов направленного пропускания составляет 1,0 %; при измерении спектральных коэффициентов направленного пропускания – 0,2 %. Кюветное отделение спектрофотометра обеспечивает возможность термостатирования жидких образцов при температуре (37 ± 1) ºС.

Принцип действия спектрофотометра основан на измерении отношения двух световых потоков: светового потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец). В световой поток от источника излучения поочередно вводятся затвор для определения темнового сигнала, расположенный внутри спектрофотометра, контрольный образец и исследуемый образец.

Коэффициент пропускания исследуемого образца рассчитывается по формуле

T = (I – I_т) / (I_к – I_т), (6.5)

где I – сигнал, пропорциональный световому потоку, прошедшему через исследуемый образец; I_к – сигнал, пропорциональный световому потоку, прошедшему через контрольный образец; I_т – сигнал, пропорциональный темновому току приемника.

Оптическая схема спектрофотометра состоит из оптических схем двух каналов "У" и "В". Каждый из каналов представляет собой полихроматор, построенный на основе вогнутой дифракционной решетки с коррекцией аберраций.

Свет от источника ультрафиолетового излучения через объектив направляется на образец, а затем проецируется на входную щель канала "У" спектрофотометра. Затем световой пучок попадает на дифракционную решетку, после чего диафрагмированный свет фокусируется на поверхности многоэлементного приемника. Аналогично свет от источника видимого излучения через объектив направляется на образец и проецируется на входную щель канала "В" спектрофотометра. Затем световой пучок направляется на дифракционную решетку, после чего диафрагмированный свет фокусируется на поверхности многоэлементного приемника.

Каждый из многоэлементных приемников регистрирует свой спектральный диапазон (200–395) нм и (395–1000) нм одновременно. Принцип работы многоэлементного приемника состоит в преобразовании светового сигнала в электрический, причем величина электрического сигнала прямо пропорциональна как величине светового сигнала, так и времени освещения приемника (экспозиции).

В приборе зафиксированы определенные варианты рабочих значений щелей.

Кюветное отделение спектрофотометра снабжено подвижной кареткой, обеспечивающей возможность установки различных держателей жидких и твердых образцов. Имеется возможность термостатирования исследуемой жидкости в кювете с длиной оптического пути 10 мм и меньше при температуре (37 ± 1) °С. Спектрофотометр работает под управлением компьютера.