Электромагниттік толқындар шкаласы

Ол  заттардың табиғатына, күйіне  және жарықтың жиілігіне тәуелді ( толқын ұзындығы λ₀)   Металлдарда жұтылу көрсеткіші біршама жоғары ( 10³-10⁸ см^-1) . Бұл металлдарда еркін   электрондардың бар болуымен түсіндіріледі, еріксіз тербелістер жеңіл қозады және амплитудалары үлкен болады. Металл бетіне түсетін жарық толқыны өз энергиясын тез шығындайды ,сондықтан өте аз қалыңдықтарға дейін өте алады.

Жұтылу көрсеткішінің  толқын ұзындығына тәуелдік мысалы . 11 суретте көрсетілген. 11, а суретте – 1 график кез келген толқын ұзындығын біркелкі жұтатын денелер үшін ( қара және сұр денелер),2 –толқын ұзындығы шектелген ұзындықтан   бастап жұтатын,                                                                                                                                                                     3 - шекаралаық толқын ұзындығынан бастап жұтылудың λ₁ ден λ_{2   ге} дейінгі толқын ұзындығында кең  жұту жолағы бар денелердің айтылған бөліктегі толқын ұзындығының   бәрін жұтатын денелер.11.бсурет.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                λ₁, λ₂ и λ₃      толқын ұзындықтарында селективті (резонансты ) жұтатын денелер. Жарықтың орта арқылы өтуі кезінде  жарық шашырауы салдарынан   интенсивтіліктің біртіндеп кемуі   де Бугер заңына бағынады , жұтылу мен шашырауды есепке алғанда формула төмендегідей жазылады:

. 12. сурет Зат (ерітінді) қабатынының қалыңдығы d, концентрациясы С, жұтылу коэффициенті (экстинкциясы) α. Болған жағдайда интенсивтлігінің I0 ден Id ге өзгеруі.

Мұнда σ – жарықтың шашырау салдарының әлсіреу көрсеткіші.

Бояушы заттар ерітіндісінде  монохромат жарықтың жұтылуын ( еріткіш берілген толқын ұзындығын жұтпайды және ертіндінің концентрациясы жоғары емес деген шартпен ) зерттей отырып А. Бер оның Бугер заңына бағынатынын көрсетті, мұнда жұтылу көрсеткіші α ерітіндідегі заттар концентрациясына тура пропорционал ( Бер заңы ):   α = χС, мұнда χ -  бірлік концентрациядағы ерітінді үшін жұту көрсеткіші. Айтылғандарды ескеріп, Бугер-Ламберт -Бер заңының формуласын былай жазады:

Немесе ондық логарифмдер жүйесінде: ,

 

Мұнда 

 

I_d/I₀ = τ қатынасын өткізу коэффициенті немесе ерітіндінің мөлдірлігі деп атайды.

D = lg (I_d/I₀) = -lg τ - шамасы оптикалық тығыздық деп аталады.Жоғарыда келтірілген формулаға сәйкес ерітіндінің оптикалық тығыздығы D = χ'Cd  болып жазылады.

 

 

Спектрлік анализ

 

Спектрлер ( эмиссиялық ,  абсорбциялық ) заттардың атомдық және молекулалық құрылысымен тығыз байланысты .Сондықтан спектрлердің сипаты бойынша күрделі және қарапайым заттардың табиғаты мен құрамы туралы білуге болады. Зат құрамын олардың спектрлкері бойынша сандық және сапалық анықтау әдісі спектрлік анализ деп аталады. Оның негізгі артықшылығы анализ жасау үшін заттың өте аз мөлшері де жеткілікті.  Спектрлік анализ жолымен заттың 10^-8 г мөлшерінің бар екендігін  анықтауға болады. Спектрлік анализ көмегімен мысалы, тірі ағзаларда - кобальт, хром, титан т. б метадардың тіпті аз мөлшері бар екендігі анықталған. Спектрлік анализ қанның таңбасын байқауға (сот медицинасы ),  металлдардағы микроқоспаларды , консервіленген тамақ өнімдеріндегі ( тамақ гигиенасы т.б.)  микроқоспаларды анықтауға мүмкіндік береді.

 

Абсорбциялық спектрофотометрия.

 

Органикалық  заттардың молекулалық құрамын зерттеу үшін абсорбциялық спектроскопияны қолданады, ең алдымен  зерттелетін затты суда ерітеді, өйткені ол өз бетімен спектрдің көру аймағында жұтылу спектрін бермейді. Абсорбциялық спектроскопияның көмегімен көптеген витаминдер мен  гормондардың  молекулалық құрамы белгілі болды.

 

14.сурет. Гемоглобиннің және оның қосылыстарының көрінетін жарықтағы спектрлері: 1 - гемоглобин; 2 - оксигемоглобин; 3 - карбоксигемоглобин; 4 - метагемоглобин:

 Абсорбциялық спектрофотометрияны көру аймағында және ультракүлгін аймақта сандық анықтау әдісі үшін қолдану заттың жарықта жұтылуының тұрақтылығына және түсетін жарықтың   интенсивтілігіне , кюветаның ұзындығы мен ерітіндінің концентрациясына тәуелсіз  болуына негізделген. Концентрация фотометриялық жолмен анықталуы мүмкін.Жоғарыда айтылғандардан ауытқу  физикалық,, химииялық, немесе аспаптық  түрде байқалуы мүмкін..Аспаптық қателердің ықпалымен болатын ауытқулар қуыстың кеңіп кетуі, жарықтың шашырауы немесе полихроматтық сәуле шығарулардан пайда болуы мүмкін. Атомдар мен   молекулалардың берілген зат үшін  белгілі бір толқын ұзындығындағы жарықты жұту қасиеті      медицина мен фармацияда сапалық және сандық зерттеулер жүргізуде пайдаланылады.  . Жұтылу спектрлерін өлшеу заттардың химиялық құрамы мен оның биологиялық ұрылымдарындағы жай күйі туралы білуге мүмкіндік береді. Жұтылу спектрлерін тіркеу және өлшеу үшін спектрофотометр деп аталатын құралдар пайдаланылады.

Жұтылу спектрі – жұтылуға қатысты немесе кез келген жұтылу функциясының толқын ұзындығына қатысты немесе толқын ұзындығының кез келген функциясына қатысты график түрінде берілген көрінісі (.7, 11  суреттер). Заттардың жұтылу спектрлері   молекулалардың энергетикалық  деңгейлері арасындағы энергияларының айырмасымен және ол деңгейлер арасындағы өтулерінің ықтималдығымен анықталады. Энергия айырмасы  жұтылу жүретін толқын ұзындығын, өту ықтималдығы – заттың жұту коэффициентін анықтайды. Биологиялық маңызды молекулаларға  электрондық, тербелмелі және айналмалы деңгейлерге негізделген  жұтылу жолағының кең болу сипаты  тән.  Жарық жұтатын молекулалық топтар хромофорлар деп аталынады..

Абсорбциялық спектофотометрияның тұрақты өлшеу аймағы — 180-1100 нм. Ол  үш спектр аймағын құрайды: жақын ультракүлгін аймағы (УК) -180-380 нм; көрінетін (КӨР) - 380-

760 нм және  жақын инфрақызыл (ИҚ) - 760-1100 нм.

Нуклеин қышқылдары тек УК аймағында жұта алады (180-220 және 240-280 нм). Олардың хромофорлары болып, пуринді және пиримидинді негіздер болып табылады.

Ақуыздар  үш түрлі хромофор тобын құрайды: өздік пептидті топ, аминқышқылдарының  бүйірлік топтары және простетикалық топ. Алғашқы екеуі  УК аймағында жұтады, ал көру аймағында жұта алмайды. Пептидті  топтар--CO-NH- 190 нм аймағында жұтады. Үш ароматты қышқылдардың бүйірлік  топтары-триптофан, тирозин және фенилаланиндер де дәл сол жұту толқын ұзындықтарына сәйкес жұтады, пептидті топтарға қарағанда олардың жұтылу деңгейі күштірек. Одан басқа олардың 260-280нм  аймағында жұту сызығы бар.

Простетикалық топтар(гемоглобиндегі гем және т.б. хромофорлар кіреді) УК және көріну аймағында жұта алады. Олар ақуыздарға түс береді (мысалы, гемоглобинге қызыл түс). Гемоглобиннің жұту спектрі (сур. 1) максимумды көру аймағына (~400 нм и 525-580 нм), және жақын инфрақызыл (ИҚ)-аймағына (900 нм) тән. Оттегі қосып алған гемоглобиннің жұту спектрі- түзу сызықпен, ал бос гемоглобин (дезоксигемоглобин)- көк сызықпен ерекшеленеді.Сондықтан спектрдің көмкгімен адам қанындағы оттегі мөлшерін өлшеуге болады.

 

.  .

 

15. сурет.  Гемоглобин және  оксигемоглобиннің  оптикалық аймақта сәуле шығару спектрі

 

Спектрофотометрияның  биологияда, медицинада және фармацияда қолданылу   мысалдары:

1. Ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының концентрацияларын өлшеу.
2. Гемоглобин оксигенациясының дәрежесін өлшеу негізінде ұлпалардың қанмен қамтамасыз етілуін бағалау.
3. рН ортаны бояғыштар арқылы өлшеу, бояғыштардың рН-ті өзгерткен жағдайында жұту спектрінің өзгеруі. 
4. Сипаттамалы жұту спектрі (рутин, берберин) бар түрлі дәрілік заттардың концентрацияларын анықтау.
5. Микроағзалардың  сүріп жатқан ортаның тығыздығының өзгерісі бойынша өсу динамикасын бақылау.

Спектрофотометр схемасы. Спектрофотометр негізгі мынадай блоктардан тұрады (16сур.2): жарық көзі (И), монохроматор (М), өлшеуіш кюветалары (К1) және салыстыру   кюветалары (К2), фотоқабылдағыш (Ф) және тіркегіш (индикатор) (Р).

16 Сурет. Спектрофотометрдің  принциптік схемасы

 

(И) жарық көзі-жарық, монохроматор (М) жарық  көзінің керек спектр аймағын бөледі. Бұл жарық ары қарай өлшеуіш кюветаларынан (К1) өтеді, өлшеуіш кюветаларына зерттелетін ерітінді қойылады, немесе еріткішпен толтырылған салыстыру   кюветаларынан (К2) өтеді (бұл жағдайда К2 кюветасын К1 кюветасының орнына қойылады). Кювета арқылы өткен жарықты фотоқабылдағышпен тіркейді, оның интенсивтілігін тіркегіш немесе индикатор арқылы жазуға болады. Индикатор ретінде cтрелкалық құралды қолдануға болады. Екі   кюветаны қолдану себебі еріткіште жарықты жұтудың паразитарлы әсерлерін және кювета қабырғаларынан көлеңкенің іздерін жоюға арналған.

Спектрофотометрдің  оптикалық схемасы күрделірек (СФ-26 көрсетілген). Өлшемді спектрдің  көріну және ультракүлгін аймағында көру үшін, құралда екі жарық көзі орнатылған ( 1 және 1').    Қажет жарық көзін айналмалы айна арқылы орындалады (2).  Жарық шоғыры жарық көзінен шығып, жазық айна арқылы айналдырылады (3), және линза арқылы (4) монохроматордың кіреберіс саңылауын жарықтандырады (5).  Арнайы батырма арқылы монохроматормен берілетін жарық ағынының интенсивтілігін, оның енін реттеп, өзгертуге болады. Одан кейін сәуле фокустық арақашықтығы 500 мм сфера тәрізді айнадан (6) өтеді→ айналмалы кварцтық призманың беткейіне бұрыш жасай түседі (7), оның бір жақ шетін айна тәрізді болып істелген. Кварцтың сыну коэффициенті толқын ұзындығынан тәуелді болғандықтан, ақ сәуленің шоғыры ауа-кварц шекарасында спектрге ыдырайды. Жарық әртүрлі толқын ұзындықтарымен кварц бетінің әртүрлі бұрыштарына т аралады (екі әртүрлі толқын ұзындықтары үшін сәулелердің таралуы суретте түзу сызықты және пунктирлі сәуле таралу бағыттары көрсетілген).  Призманың айналы шекарасынан өткеннен кейін→сәуле қайтадан кварц-ауа шекарасынан өтеді, осының салдарынан бұрыш арасындағы айрмашылық жоғарылайды. Содан кейін жарық қайтадан әртүрлі толқын ұзындығымен сфералық айнадан көрініс табады (6) және шығу саңылауларына түседі (8). Шығу  саңылауынан монохроматор арқылы монохроматорлық сәуле тек бір толқын ұзындығымен шыға алады, ол үшін толқын призмадан шығып, саңылауға түсуін қамтамасыз етуі қажет.  Монохроматордың шыға берісінде толқын ұзындығын өзгерту үшін, призманы сәйкес бұрышқа бұру керек. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 сурет.Спектрофотометрдің оптикалық схемасы.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

Лабораториялық жұмыс

Құрылғының жазбасы.

Спектрлер алуға арналған құрылғы екітүтікті призмалық спектроскоп деп аталады.Негігі бөлігі   бірдей қабырғалы үшқырлы призма .Ол металл тағанның   екі түтік, коллиматор мен көру  түтіктерінің  ортасына орналасқан. Коллиматордың бір жағында саңылау екінші жағында  линза бар.  Саңылау бас фокальдық жазықтыққа орналасқан.Коллиматордан призмаға параллель сәулелер шоғыры өтеді. Көру түтігі  столиктің айналасында горизонталь орын ауыстыра алады.

 

 

 

Рис.4 Призмалық спектроскоп. а – оптикалық схемасы мен сәуле жолдары, б – құралдың сыртқы көрінісі компоненттері

Қарапайым призмалық спектроскоп ( 4, б сурет) бөлік сызықтары бар горизонталь  Д диск бекітілген О  штативтан,  диск ортасында П призма бекітілген,  диск шетінде екі түтік орналасқан : К коллиматор К және З көру түтігі,  В винттің көмегімен қажетті бұрышқа қоюға болады. Коллиматор ( 4, а сурет ) шетінде саңылау бар,коллиматор алдында жарық көзі орналасады;  О линза,параллель сәулелер шоғырын құрайды,ол призма арқылы өткен сәулелер де параллель шоғыр болуы үшін қажет, бұл сәулелер  көру түтікшесінде О2 объективпен оның FF фокаль жазықтығында  фокустеліп,cәйкес түстерге  байланысты саңылау дың әр қайсысы үшін  бейне құрайды.Бұл бейне спектральдық сызық деп аталады.Бұл сызықтардың жиынтығы зерттелетін спектр құрап,  Ок окуляр арқылы үлкейген қалпында бақыланады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фокаль жазықтықта вертикаль орналасқан ная металл жіп тәрізді сым бар, ол бағыттау сызығы деп аталады да спектрлік сызықтарды бекіту қызметін атқарады. Көру түтігін горизонталь жазықтықта қозғау Р микровинттің көмегімен жүзеге асырылады,оның басында 50 бөліктік сызық жүргізілген. Вращая плавно Микровинтті ақырындап бұрай отырып  әрбір спектрлік сызықты кезегімен бақылау сызығына келтіруге болады және микровинт шкаласының көрсетуін  жазуға мүмкіндік туады.Осылайша микровинт шкаласының қандай саны қандай спектрдің толқын ұзындығына сәйкес келетінін нақты белгілейді.

Спектроскоп құрылымы және спектр түзу.

Коллиматор  саңылауы жарық көзімен жарықтанырылады, оның спектрін зерттеу жұмыстың мақсаты болып табылады.

1. Жарықты  сындыру    призмасы П, о нда сыну және  жарық   шоғырының таралуы жүреді..
2. Көру   түтігі Т, онда   объективтен  О₂ және  О_к  окуляр   арқылы спектрді  көруге болады.