Принцип метода

Еще в начале XIX века концентрацию окрашенных растворов научились оценивать, сравнивая на глаз интенсивность их окраски с заранее приготовленной шкалой эталонных растворов (колориметрия). Затем были изобретены приборы для количественного измерения поглощения света растворами; установлены закономерности, связывающие характеристики светопоглощения с концентрацией окрашенных веществ. В XX веке подобным образом стали определять и концентрацию бесцветных растворов, их поглощение измеряли в УФ- или в ИК-области. В развитие молекулярно-абсорбционной спектроскопии большой вклад внесли физики П.Бугер (Франция), К.Фирордт (Германия), У.Кобленц (США). В зависимости от того, в какой области спектра измеряют аналитический сигнал, методы молекулярно-абсорбционной спектроскопии разделяют на две группы: 1) фотометрический анализ в УФ- и видимой области (спектрофотометрия); 2) ИК-спектроскопия. Соответствующие методы сильно различаются по своим возможностям, но основаны они на одних и тех же теоретических закономерностях.

Общие закономерности поглощения света. При пропускании монохроматического светового потока через кювету с раствором, содержащим молекулы или ионы Х, интенсивность светового потока уменьшается. Это связано с рядом причин: часть света поглощается молекулами или ионами Х, другая часть – растворителем и примесями, третья - рассеивается и отражается стенками кюветы

Рис.6.18. Схема абсорбционно-фотометрических измерений

Чтобы учесть потери света, связанные с растворителем и кюветой, измерения проводят относительно раствора сравнения, не содержащего Х (рис. 6.18). Обычно в качестве раствора сравнения используют чистый растворитель. Если поместить и фотометрируемый раствор, и раствор сравнения в одинаковые кюветы, а затем через эти кюветы пропускать свет с одной и той же длиной волны l и одинаковой начальной интенсивностью I_нач, то потери света на отражение и рассеяние для обеих кювет окажутся одинаковы. Тогда различие в интенсивности получаемых световых потоков (I и I₀) будет определяться лишь природой и концентрацией Х. В качестве аналитического сигнала в молекулярно-абсорбционной спектроскопии используют оптическую плотность (А). Это десятичный логарифм отношения интенсивности монохроматического света, прошедшего через раствор сравнения, к интенсивности света, прошедшего через исследуемый раствор ¹.

Оптическая плотность – безразмерная величина. Она не зависит от I_нач, а определяется природой и концентрацией частиц, поглощающих свет на данной длине волны, а также толщиной поглощающего слоя в кювете. Связь этих величин описывает основной закон светопоглощения, который принято называть законом Бугера – Ламберта - Бера:

В соответствии с этим законом, оптическая плотность раствора, измеренная на некоторой длине волны, прямо яропорциональна концентрации растворенного вещества, поглощающего свет на этой длине волны, и толщине слоя раствора.

А = εl с (6.27)

Основной закон светопоглощения можно записать и в экспоненциальной форме:

I = I₀ ^.10 ^{- e l C} (6.28).

Концентрацию поглощающих частиц (С) выражают в моль/л, толщину слоя (l) - в сантиметрах. В таком случае коэффициент пропорциональности e называют молярным коэффициентом поглощения. Его величина зависит от природы Х и длины волны, на которой измеряют оптическую плотность, и может доходить до n ^.10⁵. Размерность e - л ^. моль^-1. см ^-1. Молярный коэффициент – это оптическая плотность раствора с концентрацией 1 моль/л при l = 1 см. В реальных условиях точно измерить оптическую плотность раствора с такой высокой концентрацией Х нельзя, поэтому ε является чисто расчетной величиной. Значения ε находят из формулы (6.27) по измеренным значениям оптической плотности ряда растворов с точно известными концентрациями Х. Значения ε, вычисленные для растворов разной концентрации, должны быть равны между собой. Формула (6.27) показывает, что при использовании монохроматического света Построенные по эталонным растворам градуировочные графики должны быть прямолинейны (в координатах А – С). Как видно из рис.6.19, чувствительность определения Х зависит от молярного коэффициента светопоглощения, а, следовательно, и от длины волны, на которой проводят фотометрические измерения.

Рис.6.19. Градуировочные графики для определения Х, построенные с применением монохроматического (сплошные линии) и полихроматического света (пунктир). В присутствии посторонних веществ, поглощающих свет на той же длине волны, что и вещество Х, градуировочный график не будет проходить через начало координат. Поглощение света растворами, содержащими смесь нескольких, не взаимодействующих между собой растворенных веществ, происходит аддитивно. Это означает, что оптическая плотность смеси на любой длине волны будет равна сумме оптических плотностей компонентов смеси:

Аппаратура. Для измерения оптической плотности растворов и регистрации спектров поглощения используют спектрофотометры (рис.6.20). Важнейшая их часть - монохроматор. Другие узлы - источник света, приемник излучения и регистрирующее устройство. Рис. 6.20. Принципиальная схема однолучевого спектрофотометра

1 – источник света; 2 – призменный монохроматор; 3 – кювета с исследуемым раствором; 4 – кювета с раствором сравнения; 5 – приемник света (фотоэлемент); 6 – микроамперметр

Источники света. В зависимости от оптической области, в которой работает прибор, источниками света служат: в УФ-области – водородная или дейтериевая газоразрядные лампы, дающие сплошной спектр излучения; в видимой области – обычная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, в ИК-области – глобар. Это керамический стержень, нагреваемый до температур порядка 1600 ⁰С.

Монохроматоры. В спектрофотометрах применяют призменные монохроматоры или дифракционные решетки. Материал, из которого изготавливают оптическую систему прибора, должен хорошо пропускать свет в рабочем диапазоне длин волн. В УФ-области используют кварц, в видимой области – стекло, в ИК-области – кристаллические соли, галогениды щелочных и щелочноземельных металлов (NaCl, KBr, CaF₂). Регулируя взаимное расположение выходной щели и диспергирующего устройства (призмы или дифракционной решетки), добиваются, чтобы в кюветное отделение прибора проходил свет с выбранной длиной волны l₁. Прибор настраивают на нулевую оптическую плотность по кювете с раствором сравнения, а затем вместо нее вводят в световой поток кювету с исследуемым раствором. В результате меняется интенсивность светового потока, падающего на приемник излучения (фотоэлемент), меняется и величина фототока. В более совершенных приборах (спектрометрах) предусмотрена автоматическая развертка спектра. Конструкция таких приборов позволяет непрерывно менять длину волны, автоматически учитывать при этом поглощение раствора сравнения и записывать спектр поглощения исследуемого раствора с помощью самописца. Высокую степень монохроматизации обеспечивает узкая выходная щель монохроматора - в хороших спектрофотометрах спектральная ширина этой щели составляет доли нанометра. Ширину щели можно менять. Узкие щели и, соответственно, высокие степени монохроматизации требуются при регистрации узкополосных спектров, в частности, в ИК-области. При определении веществ по поглощению видимого света высокая степень монохроматизации обычно не требуется, можно использовать выходные щели с шириной порядка нескольких нанометров или даже проводить измерения на упрощенном приборе без монохроматора – фотоэлектроколориметре (ФЭК). В этом случае используют цветные светофильтры, выделяющие из полихроматического излучения лампы область шириной 20-30 нм.

Приемники излучения. В качестве приемника излучения, преобразующего свет в электрический сигнал, применяют: в видимой и УФ-области – различные фотоэлементы, в ИК-области – термопары или болометры. После усиления сигнал поступает в измерительное устройство или на самописец. Шкалу прибора, измеряющего фототок, градуируют непосредственно в единицах оптической плотности. Измерив А при l₁, можно выставить длину волны l₂, заново настроить прибор на 0 по раствору сравнения и затем измерить А при l₂. Эти операции многократно повторяют для разных длин волн, а затем строят по полученным точкам плавную кривую в координатах А - l, то есть спектр поглощения исследуемого раствора. Если же надо измерять оптические плотности разных растворов на одной длине волны, настраивать прибор перед каждым измерением не нужно.

Приборы, предназначенные для фотометрических измерений, обычно имеют шкалу, проградуированную в единицах оптической плотности (от A = 0 до А = ¥). При очень малых (<0,05) или очень больших (>2) значениях точность измерения оптической плотности намногохуже, чем в середине шкалы, что влияет и на точность определения концентраций.

Рис.6.21. Относительная погрешность измерений оптической плотности. 1 –теоретические расчеты, 2 – экспериментальные данные для некоторого спектрометра

Расчеты показывают, что относительная погрешность фотометрических измерений минимальна при А = 0,43. Естественно, само значение минимальной погрешности для разных приборов различно, но характер зависимости погрешности измерений от величины А - один и тот же (рис.6.21). В конце XX века появились компьютеризированные спектрометры без выходной щели, оснащенные фотодиодной матрицей или другими многоканальными приемниками. Эти приборы одновременнорегистрируют поглощение света на разных длинах волн и сразу выдают пользователю спектр поглощения пробы. С помощью таких приборов можно с высокой точностью измерять даже очень низкие значения оптической плотности (А << 0,1).

Дата добавления: 2015-11-26