Фотометрия

Фотометрией называют раздел физической оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики оптического излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом.

Взаимодействие лучистой энергии с анализируемым веществом оценивается с помощью:

• абсорбционного анализа, анализа по поглощению света веществом, свойства которого определяются (спектрофотомерия, фотоколориметрия);
• анализа по поглощению и рассеянию лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества (турбидиметрия, нефелометрия);
• флоурометрического (люминесцентного) анализа, основанного на измерении вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия лучистой энергии с веществом.

При фотоколометрических и спектрофотометрических измерениях оценивается поглощение света в определяемом веществе. При прохождении света через вещество часть его отражается, часть поглощается, часть рассеивается, а часть проходит через слой этого вещества. Интенсивность светового потока I0, падающего на слой вещества, можно условно разложить на четыре составляющие: 

I0=I+ Iп+ Iот+ Iр,

где I - интенсивность светового потока, прошедшего через слой вещества; Iп - интенсивность светового потока, поглощенного веществом; Iот - интенсивность светового потока, отраженного веществом; Iр - интенсивность светового потока, рассеянного средой.

Под интенсивностью света понимается мощность (энергия) светового потока, испускаемого источником света в 1 с внутри телесного угла, равного единице

При прохождении монохроматического светового потока через слой вещества, светопоглощение в нем характеризуется законом Бугера-Ламберта-Бера (закон колориметрии).

где I, I0- интенсивности светового потока, падающего на вещество и прошедшего через него;

а - коэффициент светопоглощения;

с - концентрация растворенного вещества;

l - толщина поглощающего слоя.

Если концентрация с выражена в молях на литр, l - в сантиметрах, то а - становится молярным коэффициентом светопоглощения ελ

Уравнение колориметрии принимает вид: 

Моль (М) единица количества вещества. В 1М содержится столько молекул, сколько содержится в 0,012 кг 12С (нуклида углерода с атомной массой 12). В 1 М хлорида натрия имеется 58,454 г NaCl в 1 литре раствора.

Если закон светопоглощения соблюдается, то оптическая плотность раствора D прямо пропорциональна молярному коэффициенту светопоглощения ελ, концентрации вещества с и толщине раствора l 

Молярный коэффициент светопоглощения зависит от длины волны проходящего света, температуры вещества и его природы, и не зависит от концентрации растворенного вещества и толщины поглощающего слоя.

Для слабоокрашенных веществ ελ≈ 400÷500; у наиболее интенсивно окрашенных ελ≈ 100000.

Закон Бугера-Ламберта-Бера получен с использованием закона Бугера-Ламберта, в соответствии с которым однородные слои одного и того же вещества одинаковой толщины поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии

а также закона Бера

где K 1- коэффициент пропорциональности.

Закон Бера утверждает, что оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества при постоянной толщине поглощающего свет слоя. Интенсивность светопропускания в зависимости от толщины слоя вещества и зависимость оптической плотности от концентрации вещества в растворе иллюстрируются рис. 1

Рис. 1 Кривая интенсивности светового потока в зависимости от толщины слоя вещества (а); зависимость оптической плотности от концентрации раствора (б)

 
 

Оптическая плотность D и светопропускание связаны между собой зависимостью D= lgT,

где Т- светопропускание 

Оптическая плотность D измеряется в Беллах [Б]. Значение ее обычно находится в пределах 0÷2 Б, иногда до 3 Б и более. Светопропускание обычно оценивается в процентах. Оптическая плотность 0 Б соответствует 100% светопропускания, 2 Б- светопропусканию в 1% .

Если используется не монохроматический, а полихроматический источник света, то вместо молярного коэффициента ελ в уравнения подставляется средний молярный коэффициент светопоглощения ε, зависящий от спектрального состава источника излучения.

На практике наблюдаются отклонения от закона Бера, вследствие действия ряда химических факторов. Это обстоятельство приходится учитывать при проведении измерений.

Молярный коэффициент светопоглощения и оптическая плотность раствора различны для разных длин волн света. Поэтому для полной характеристики растворов различных соединений используются спектры поглощения. Для этого проводят измерения оптической плотности раствора или молярного коэффициента светопоглощения при различных длинах волн D=f(λ); ελ= f (λ ) и строят кривые, характеризующие светопропускание. Для получения большей надежности результатов при фотометрировании стремятся использовать тот участок спектра излучения, на котором наблюдается максимальное светопоглощение данным веществом.

При спектрофотометрии оценивается светопропускание лучистого излучения веществом или веществами в зависимости от длины его волны. От фотоколоритмии она отличается только тем, что в соответствующих приборах используются источники монохроматического света, интервал длин волн которых порядка (1÷2 нм). Для этого широко используются специальные светофильтры, устанавливаемые на пути прохождения световых потоков перед поглощающим свет веществом.

Светофильтры пропускают лучи лишь в определенном интервале длин волн, с полушириной пропускания  (рис. 2). У хороших светофильтров размытость максимума пропускания превышает 20÷30 нм.

Рис. 2 Спектральная кривая светопропускания светофильтра

 
 

По сравнению с фотоколориметрическими методами у спектрофотометрических следующие преимущества:

 

• повышенная чувствительность и точность количественного определения концентрации веществ;
• возможность анализа систем, содержащих несколько компонентов, не взаимодействующих друг с другом и имеющих различные спектральные коэффициенты поглощения;
• возможность анализа растворов, которые бесцветны для глаза (при их исследовании в ультрафиолетовой 200÷400 нм или ближней инфракрасной 760÷1100 нм областях спектра).

Фотометрические и спектрофотометрические методы широко используются в медицине и биологии при получении информации о концентрациях веществ, находящихся в жидкостях проб, а также при определении параметров, характерных для определенного объекта. При этом, в ряде случаев, определяемые вещества окрашиваются с помощью тех или иных красителей, как это, например, имеет место при электрофоретическом фракционном анализе белков сыворотки крови

 

Эмиссионная фотометрия пламени (пламенная фотометрия)

Пламенная фотометрия является одним из вариантов эмиссионного спектрального анализа и основана на измерении интенсивности света, излучаемого возбужденными частицами (атомами или молекулами) при введении вещества в пламя горелки.

Принцип метода заключается в том, что раствор анализируемого вещества распыляют с помощью сжатого воздуха в пламени горелки, где происходит ряд сложных процессов, в результате которых образуются возбужденные атомы или молекулы. За счет энергии пламени, легко возбуждаемым атомом вещества (K, Na, Ca), сообщается избыточная энергия. Атомы этих металлов переходят в возбужденное состояние, характеризующееся переходом валентных (наружных) электронов на более высокие энергетические уровни. Через 10-8 секунды происходит их возврат на основные уровни, что сопровождается выделением порций энергии (квантов света). Совокупность квантов света приводит к образованию светового потока с длиной волны, характерной для атомов K, Na, Ca. Их излучение направляют в спектральный прибор, выделяющий излучение определяемого элемента светофильтрами или другими монохроматорами. Попадая на детектор (фотоэлемент), излучение вызывает фототок, который после усиления измеряют стрелочным гальванометром. Нахождение содержания определяемого вещества проводят с помощью градуировочного графика зависимости величины фототока от концентрации элемента, который строят по результатам анализа серии стандартных растворов. Отклонение от линейности градуировочного графика наблюдается в области больших (больше 100 мкг/мл у калия) и малых концентраций. В первом случае происходит самопоглощение света невозбужденными атомами, а во втором - уменьшается доля свободных атомов за счет смещения равновесия реакции ионизации атомов.

Наиболее распространенными отечественными приборами для пламенной фотометрии являются:

а) фильтровой пламенный фотометр типа ФПЛ-1 для определения Na, K, Ca из одного раствора прямым методом;

б) пламенный фотометрический анализатор жидкости ПАЖ-1 для определения микроколичеств Na, K, Ca и Li при их совместном присутствии в растворе;

в) пламенный фотометр FLAPHO-4 для определения Li, Na, K, Ca и Rb.

Поскольку спектры эмиссии атомов значительно проще молекулярных, то именно методы, основанные на их получении, стали широко применяться для массового многоэлементарного экспресс-анализа.

Пи АЭА анализируемая проба вещества вводится в источник возбуждения спектрального прибора. В источнике возбуждения данная проба подвергается сложным процессам, заключающимся в плавлении, испарении, диссоциации молекул, ионизации атомов, возбуждении атомов и ионов.

Возбуждённые атомы и ионы через очень короткое время (~10-7-108с) самопроизвольно возвращаются из неустойчивого возбуждённого состояния в нормальное или промежуточное состояние. Это приводит к излучению света с частотой ? и появлению спектральной линии.

Общую схему атомной эмиссии можно представить так:

А + Е ? А* ? А + h?

Степень и интенсивность протекания этих процессов зависит от энергии источника возбуждения (ИВ).

Наиболее распространёнными ИВ являются: газовое пламя, дуговые и искровые разряды, индукционносвязанная плазма (ИСП). Их энергетической характеристикой можно считать температуру.

Сравнительная характеристика различных ИВ приведена в табл.2.3.1.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика различных источников возбуждения

Источник возбуждения	Темпратура, 0С	Возбуждаемые элементы
Пламя:	1800	Щелочные металлы
а) светильный газ - воздух
б) ацетилен - воздух	2200	Щелочные и щелочноземельные металлы
в) ацетилен - кислород	3100	Практически все металлы
Дуга постоянного тока	3500 - 7000	Металлы, С, N
Дуга переменного тока	5000 - 8000	Металлы, С, N и некоторые металлоиды
Высоковольтная искра	10000 (в факеле)	Почти все элементы
Индукционно связанная плазма (ИСП)	3000 (в канале)	Все элементы

 

Методами АЭА можно исследовать твёрдые и жидкие пробы. Способы введения вещества в ИВ приведены в табл.2.3.2.

Различают качественный, полуколичественный и количественный АЭА.

Качественный анализ проводят путём идентификации спектральных линий в спектре пробы, т.е. установления их длины волны, интенсивности и принадлежности тому или иному элементу.

Для расшифровки спектра и определения длины волны анализируемой линии пользуются спектрами сравнения, в которых длины волн отдельных линий указаны. Чаще всего для этой цели используют хорошо изученный спектр железа, имеющий характерные группы линий с известными ? в разных областях длин волн.

Таблица 2.

Способы введения в ИВ

Источник возбуждения	Фазовый характер образца	Способ введения
Пламя	Жидкость	Распыление
Дуга	Жидкость	Нанесение на торец графит электрода
	Порошок	Нанесение в графитовый электрод
	Металлический слиток	Изготовление электродов из анализируемого образца
Искра	Жидкость	Впрыскивание в искровой промежуток вращающимся колёсиком
	Порошок	Изготовление прессованных брикетов
	Металлический слиток	Введение в ИК без специальной обработки

При визуальном качественном АЭА строят дисперсионную кривую (рис.2.3.1) используемого прибора (стилоскопа, стилометра), т.е. градуировочный график прибора, выражающий зависимость между показаниями его отсчётного барабана и длиной волны линии в эталонном спектре n = f (?) (меди, железа и др.). Затем поочерёдно фиксируют все линии в спектре пробы анализируемого	Рис.2.3.1. Дисперсионная кривая прибора

 

Вещества в делениях шкалы отсчётного барабана. По графику зависимости n = f(?) устанавливают длины волн спектральных линий. После этого идентифицируют линии в спектре пробы с помощью специальных таблиц, в которых указана принадлежность всех возможных спектральных линий определённым элементам (с указанием их числа, цвета, длины волны, потенциала ионизации, ИВ), табл.2.3.3.