77. Классификация оптических методов.К оптическим методам относятся рефрактометрия, поляриметрия, абсорбционные оптические методы.

Рефрактометрический анализ широко применяют при исследовании таких пищевых продуктов, как жиры, томатные продукты, варенье, джем, соки и др.

Рефрактометрический анализ основан на измерении показателя преломления (рефракции) веществ, по которому следует судить о природе вещества, чистоте и содержании в растворах.

Преломление луча света возникает на границе двух сред, если среды имеют различную плотность.

Отношение синуса угла падения (а) к синусу угла преломления (В) называют относительным показателем преломления (п) второго вещества по отношению к первому и является величиной постоянной:

Показатель преломления вещества зависит от его природы, а также от длины волны света и от температуры.

При падении угла света под углом 90° угол преломления называется предельным углом преломления, а его величина зависит только от показателей преломления этих сред, через которые проходит свет. Поэтому, если известен показатель преломления одной среды, то, измерив предельный угол преломления, можно определить показатель преломления исследуемой среды.

Поляриметрический метод основан на свойстве некоторых веществ изменять направление световых колебаний.

Вещества, обладающие свойством изменять направление колебаний при прохождении через них поляризованного света, называются оптически активными. Особенности строения молекул Сахаров обусловливают проявление оптической активности в растворах.

У поляризованного луча, пропущенного через слой раствора оптически активного вещества, меняется направление колебаний, а плоскость поляризации оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом поворота плоскости поляризации, который зависит от поворота плоскости поляризации, концентрации и толщины слоя раствора, длины волны поляризованного луча и температуры.

Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением (s), под которым понимают угол, на который повернется плоскость поляризации при прохождении поляризованного луча через раствор, в 1 мл которого содержится 1 г растворенного вещества при толщине слоя раствора (длине поляризационной трубки), равной 1 дм.

Угол вращения плоскости поляризации а определяют по формуле

где l -длина трубки, дм;

С —концентрация вещества, г/100 мл.

Из этой формулы легко вычислить концентрацию С, если известен угол вращения:

Оптические абсорбционные методы — это методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами. Именно оптические абсорбционные методы получили широкое распространение в научно-исследовательских и сертификационных лабораториях. При поглощении света атомы и молекулы поглощающих веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих веществ и способа трансформирования поглощенной энергии различают атомно-абсорбционный, молекулярно-абсорбционный анализ, нефелометрию и люминесцентный анализ.

Атомно-абсорбционный анализ основан на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.

Молекулярный абсорбционный анализ основан на поглощении света молекулами анализируемого вещества и сложными ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-спектроскопия).

Фотоколориметрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.

Нефелометрия основана на поглощении и рассеянии световой энергии взвешенными частицами анализируемого ве-щества.

Люминесцентный (флуорометрический) анализ основан на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.

Люминесценцией называют свечение атомов, ионов, молекул и других более сложных частиц вещества, которое возникает в результате перехода в них электронов при возвращении из возбужденного в нормальное состояния.

Чтобы вещество стало люминесцировать, к нему необходимо извне подвести определенное количество энергии. Частицы вещества поглощают энергию, переходят в возбужденное состояние, пребывая в нем некоторое время. Затем они возвращаются в состояние покоя, отдавая при этом часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции.

В зависимости от вида возбужденного уровня и времени пребывания в нем различают флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция — это вид собственного свечения вещества, которое продолжается только при облучении. Если источник возбуждения устранить, то свечение прекращается мгновенно или спустя не более 0,001 с.

Фосфоресценция — это вид собственного свечения вещества, которое продолжается после отключения возбуждающего света.

Для исследования продтоваров используют явление флуоресценции.

С помощью люминесцентного анализа можно обнаружить в исследуемом образце присутствие вещества в концентрации 10-¹¹ г/г. Этот метод используется для определения некоторых витаминов, содержания белков и жиров в молоке, исследования свежести мяса и рыбы, диагностики порчи овощей, плодов и обнаружения в продуктах консервантов, лекарственных препаратов, канцерогенных веществ, пестицидов.

Все оптические абсорбционные методы иногда объединяют в одну группу спектрохимических или спектроскопических методов анализа, хотя они имеют существенные различия по аппаратному оформлению, по виду поглощающих частиц и другим признакам. Методы разные, но в их основе лежат одинаковые законы светопоглощения. Метод двойного лучепреломления (ДЛП) в потоке сочетает в себе оптический и гидродинамический подход к изучению строения макромолекул. В комбинации с другими методами, прежде всего с вискозиметрией, метод ДЛП в потоке широко характеризует исследуемые молекулы, позволяя определить разность главных поляризуемостей молекул, коэффициент вращательной диффузии, жесткость молекулы и другие параметры. Двойное лучепреломление должно зависеть от того, проводится ли экструзия выше или ниже температуры а-релаксационного процесса, поскольку оно связано с относительным вкладом кристаллической и некристаллической фаз в общее двойное лучепреломление. Из постоянства значений двойного лучепреломления в области Кех 15 ( наши данные) следует, что при этих степенях вытяжки достигается полная ориентация фибриллярной структуры. Экструзия при Кех 15 может привести лишь к смещению и / или дальнейшей деформации фибриллярной структуры. [6]

Двойное лучепреломление, вызванное действием механических сил, называется временным двойньм лучепреломлением, так как оно возможно лишь до тех пор, пока действуют приложенные силы. С устранением их исчезает и двойное лучепреломление. [7]

Двойное лучепреломление, увеличивающееся по мере деформирования полимера, также может быть использовано как хороший дополнительный метод оценки в экспериментах по разрушению. [8]

Двойное лучепреломление в потоке в коллоидных системах изучалось с целью установления общих закономерностей явления значительно раньше разработки его количественных теорий. [9]

Двойное лучепреломление при механической деформации ( фотоупругость) было открыто Брюстером в 1815 г. При одностороннем растяжении или сжатии направление деформации становится выделенным и играет роль оптической оси. Для наблюдения оптической анизотропии исследуемое тело помещают между скрещенными или параллельными поляризаторами, направления пропускания которых составляют некоторый угол ( лучше всего 45) с направлением деформации. Распространяющиеся перпендикулярно оптической оси обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают некоторую разность фаз, и свет, прошедший через деформированное тело, становится эллиптически поляризованным. [10]

Двойное лучепреломление в изотропной среде может возникнуть не только в постоянном внешнем электрическом поле, но и в переменном с частотами вплоть до оптических. Благодаря развитию лазерной техники появилась возможность получать оптическое излучение, в котором напряженность электрического поля достигает очень больших значений. При скрещенных поляризаторах Pt и Р2 свет не может попасть в ФЭУ. Когда через ячейку проходит мощный импульс инфракрасного поляризованного излучения лазера L, жидкость становится анизотропной, зондирующий свет выходит из ячейки эллиптически поляризованным и попадает в ФЭУ. [11]

Двойное лучепреломление в аморфных телах может вызываться также наложением электрических и магнитных полей.

78 НЕФЕЛОМЕТРИЯ (от греч. nephele — облако и metreo — измеряю * а. nephelometry; н. Nephelometrie; ф. nephelometric; и. nefelometria) — метод исследования и анализа веществ, основанный на измерении интенсивности светового потока, рассеянного взвешенными частицами определяемого вещества.  Интенсивность рассеянного светового потока, определяемая по закону Рэлея, зависит от многих факторов, в т.ч. от количества и объёма частиц в анализируемой пробе. Большое значение при нефелометрии имеет объём частиц, рассеивающих свет. Поэтому при аналитическом определении обязателен одинаковый порядок сливания реагентов, как при приготовлении стандартного раствора сравнения, так и при подготовке раствора пробы. Важнейшие требования к реакциям, используемым при нефелометрии: продукт реакции должен быть практически нерастворим и находиться не в виде осадка, а в виде взвеси (суспензии). Для удержания твёрдых частиц во взвешенном состоянии, т.е. для сохранения высокой первичной дисперсности, применяют стабилизаторы (например, желатин), которые предотвращают коагуляцию частиц.  Для измерения интенсивности рассеянного света используют специальные приборы — нефелометры, действие которых основано на уравнивании двух световых потоков: одного от рассеивающей взвеси, другого от матового или молочного стеклянного рассеивателя прибора. Нефелометры бывают визуальные и фотоэлектрические. Один из вариантов нефелометрии — нефелометрическое титрование, в котором раствор анализируемого вещества титруют раствором осадителя. В процессе титрования интенсивность рассеянного света увеличивается пропорционально количеству образующихся частиц. В точке эквивалентности рост помутнения прекращается. По излому кривой титрования находят объём затраченного на реакцию осадителя. Чувствительность метода около 10-4%, погрешность 5-10%.  Нефелометрию применяют главным образом для определения хлоридов (в виде взвеси AgCl), сульфатов (в виде взвеси BaSO₄) при анализе различных материалов, например руд,минералов. Нефелометрию также используют для определения размеров и формы диспергированных частиц, молекулярной массы полимеров, изучения коагуляции. Нефелометрическое титрование основано на реакциях осаждения малорастворимых соединений, образующих устойчивую дисперсионную систему в начальный период осаждения. За ходом реакции образования осадка в разбавленном титруемом растворе наблюдают, измеряя интенсивность света, рассеянного под прямым углом к падающим лучам. Строят график зависимости показания прибора от объема прибавленного титранта. [1]В нефелометрическом титровании точку эквивалентности определяют по помутнению раствора. Метод малоуглового рассеяния используют для измерения величины частиц, имеющих размеры от 1 до 100 нм. Обычно-этот метод применяется при рассеянии излучения в области менее 5 от направления исходного луча. При использовании метода необходимо исключить влияние отражения от поверхности пор носителя на результаты измерения. В работе [4.7] эта проблема решена путем пропитки катализатора жидкостью с той же электронной плотностью, что и у носителя. Как следствие, частицы металла остаются главными центрами рассеяния излучения. [1]

Методом малоуглового рассеяния в нефтяных системах были обнаружены неоднородности на масштабе нескольких нм. По всей видимости, они представляют собой ядра ССЕ, преимущественно состоящие из ас-фальтеновых молекул. Оценка размеров асфальтеновых ассоциатов была произведена во множестве работ. [2]В работе [214] методом малоуглового рассеяния рентгеновского излучения изучена деформация полиэтилена. [3]Аналогичные возможности заключает в себе и метод малоуглового рассеяния медленных нейтронов, однако его использование требует применения меченых фрагментов сетки, распределение и размеры которых являются предметом изучения. Обычно для этой цели используют дейтериро-ванные соединения. [4]В то же время экспериментально доказано методом малоуглового рассеяния нейтронов [ 33, с. [5]Данные рентгеноструктурного анализа и результаты исследования методом малоуглового рассеяния поляризованного света свидетельствуют о некоторой упорядоченности надмолекулярных структур в начале процесса старения поликарбоната. Затем термодеструкция начинает преобладать над упорядочением, и прочность материала постепенно уменьшаетсяКвазиупругое рассеяние связано с эффектом отдачи рассеивающих ядер, наличием в жидкости низкоэнергетических диффузионных движений. Строго говоря, оно является неупругим рассеянием, но только с малыми передачами энергии. При переходе от жидкости к кристаллу квазиупругое рассеяние трансформируется в чисто упругое. Неупругое рассеяние нейтронов связано с обменом энергией между нейтронами и атомами или молекулами, совершающими колебания и заторможенные вращения и трансляции. По сравнению с диффузионным колебательное движение характеризуется более высокой энергией. [1]Спектроскопия квазиупругого рассеяния света - это метод, в котором используются временные флуктуации интенсивности рассеянного света для изучения коэфициентов диффузии макромолекул в растворе. Эти временные флуктуации происходят из-за броуновского движения макромолекул и могут быть обнаружены путем измерения автокорреляционной функции интенсивности рассеянного света. [2]Метод квазиупругого рассеяния лазерного света позволяет провести анализ динамического поведения рассеянного света, которое определяется динамикой флуктуации концентрации. [3]Метод некогерентного нейтронного квазиупругого рассеяния дает информацию о движении водородных атомов для более коротких временных отрезков, чем метод ЯМР. На рис. 28.11 показан синглетный пик, который был получен для обезвоженного при 220 С образца. Спектр вымоченной нафио-новой мембраны отличается от спектра сухого образца ( рис. 28.12) в первую очередь появлением широкой линии, накладываемой на исходный синглет. [4]Мы использовали спектроскопию квазиупругого рассеяния света для изучения образования мицелл ДСН при концентрациях значительно выше ККМ. [5]Исследованию тепловой подвижности макромолекул методом квазиупругого рассеяния света посвящена уже обширная литература [88] и можно ожидать более широкого распространения этой методики. [6]Эти эксперименты далее были распространены на квазиупругое рассеяние низкотемпературных нейтронов. [7]Решающим является то, что измеряемые при квазиупругом рассеянии света) корреляционная функция; ( Г) или ее Фурье-образ / ( и) связаны с корреляционной функцией плотности, которая и несет в себе информацию о динамических и релаксационных свойствах изучаемой системы. Фундаментальная связь между спектральной плотностью рассеяния / ( K CJ) и Фурье-образом корреляционной функции плотности SiK w) была впервые установлена Ван Ховом применительно к рассеянию нейтронов. [8]При низких энергиях ( например, для реакторных антинейтрино) сечение квазиупругого рассеяния легко написать по аналогии с сечением ve - рассеяния ( см. гл. [9]Из формул (8.70) и (8.72) следует, что по экспериментальным значениям уширения пика квазиупругого рассеяния могут быть вычислены коэффициенты самодиффузии. Искандеровым и Новиковым [88, 89] были получены коэффициенты полной и непрерывной самодиффузии в жидкой воде в широком интервале температур. [10]Разность между сечением поглощения и сечением реакции при низких энергиях связана с процессамиквазиупругого рассеяния, в котором доминирует одноступенчатое квазиупругое зтЫ - рассеяние в ядре. [11]В заключение обратим внимание на тот факт, что надежные оценки полидисперсности из квазиупругого рассеяния света возможно получить только тогда, когда распределение макромолекул по молекулярным массам не очень широкое. В противном случае спектр времен диффузионной подвижности может перекрываться со спектром внутренних движений макромолекул и возникает сложная проблема отделения эффектов собственно полидисперсности от полидисперсности, вызываемой многообразием динамических масштабов макромолекулы. [12]Изложенная выше концепция движения катионов в твердых электролитах типа AgJ убедительно подтверждается результатами по квазиупругому рассеянию нейтронов на a - AgJ при 250 С. На рис. 6 показана общая функция рассеяния Stot ( ф, со) при фиксированных углах рассеяния ср.

79.Колориметрия — метод количественного определения содержания веществ в растворах по интенсивности их окраски. В основе колориметрии лежит закон Бугера—Ламберта—Веера, согласно которому интенсивность окраски пропорциональна концентрации окрашенного вещества в растворе и толщине его слоя. Колориметрию можно производить визуальными и фотоэлектрическими способами при помощи колориметров. К визуальным способам колориметрии принадлежат: определение при помощи стандартных серий (цветовой шкалы) и способ уравновешивания. При использовании стандартных серий сравнивают интенсивность окраски исследуемого раствора с окрасками стандартных растворов, соответствующих различным известным концентрациям испытуемого вещества. В колориметрах, используемых при способе уравновешивания, интенсивность света, проходящего через испытуемый и стандартный растворы, уравнивается изменением толщины слоя одного из растворов. Принцип фотоэлектрической колориметрии заключается в регистрации фотоэлементом интенсивности монохроматического света (выделенного светофильтром), прошедшего через окрашенный раствор. Колориметрия широко применяется в санитарно-гигиенических лабораториях и при клинических исследованиях, в частности при анализе крови

ФОТОМЕТРИЯ, раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1 представлен график, построенный по данным этой таблицы, причем на нем указаны интервалы длин волн, соответствующие цветам солнечного спектра. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Фотометрические величины.

Поток световой энергии измеряется в люменах. Определить световой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам, и основной мерой света долгое время была «свеча», которая считалась единицей силы света. Настоящие свечи уже более века не используются в качестве меры света, так как с 1862 стала применяться специальная масляная лампа, а с 1877 – лампа, в которой сжигался пентан. В 1899 в качестве единицы силы ответа была принята «международная свеча», которая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд). Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 54010¹² Гц ( = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Чтобы дать определение люмена, рассмотрим точечный источник с силой света 1 кд во всех направлениях. Такой источник испускает полный световой поток, равный 4 лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящуюся на расстоянии 1 м, то освещенность поверхности этой пластинки равна 1 лм/м², т.е. одному люксу.

Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м² такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м². (Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова.)

Виды фотометрических измерений.

Основные виды фотометрических измерений таковы: 1) сравнение силы света источников; 2) измерение полного потока от источника света; 3) измерение освещенности в заданной плоскости; 4) измерение яркости в заданном направлении; 5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

ОБЩИЕ МЕТОДЫ ФОТОМЕТРИИ

Существуют два общих метода фотометрии: 1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости; 2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода – вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д. При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со «стандартным наблюдателем» МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура. В самых точных фотометрических измерениях приходится стабилизировать ток через лампу с точностью до (2 – 3)10^–3%.

Турбидиметрия - измерение прошедшего света. Метод исследования светорассеивающих растворов по прошедшему через них свету называется турбидиметрией. Для измерения световых потоков используются турбидиметры, построенные по принципу визуальных или электрических фотометров. При турбидиметрических исследованиях интенсивность прошедшего светового потока Itможет быть определена по уравнению, Ig It/I0=k*(Cbd3/d4+альфа*лямбдав 4 степени)

где Io – интенсивность падающего светового потока; It

– интенсивность потока, прошедшего через

раствор; С – концентрация рассеивающих частиц в растворе; b – толщина поглощающего слоя раствора; d – средний диаметр рассеивающих частиц; k и α – константы, зависящие от природы вещества и метода измерения; λ - длина волны.

При постоянных b, d, k, α и λ получим:

- выражение, подобное закону Бугера-Ламберта-Бера для окрашенных прозрачных растворов. Здесь t – молярный коэффициент мутности раствора или турбидиметрия. Таким образом, интенсивность пучка (плотность потока) параллельных лучей света при прохождении через кювету вследствие поглощения меняется по экспоненциальному закону. При турбидиметрии проводится измерение прошедшего светового пучка, также как измеряется и абсорбция при фотометрии (рисунок 33). Поэтому в качестве турбидиметра можно использовать большинство фотометров и биохимических анализаторов, так как этот способ не требует особой конструкции прибора. Обычно при турбидиметрических исследованиях используются короткие длины волн, как правило, 340 нм. Это связано с тем, что доля рассеянного света увеличивается обратно пропорционально четвертой степени длины волны, соответственно при меньшей длине волны прошедший свет будет составлять большую часть от падающего, то есть будет более интенсивным. В то же время оптические системы, как правило, уверенно работают в ближнем ультрафиолете при 340 нм, в более дальнем ультрафиолетовом диапазоне необходимо использовать специальную оптику. Для количественной оценки микроальбуминурии существуют следующие два основных метода: (1) прямой иммунотурбидиметрический и (2) косвенный, основанный на существовании сильной корреляции между содержанием в моче креатинина и альбумина. (3) Также для количественной оценки микроальбуминурии применяют иммунохимический метод с помощью системы HemoCue ® Альбумин Мочи. (1) Прямой иммунотурбидиметрический метод, основанный на том, что человеческий альбумин можно определить по реакции со специфическим антителом, при которой в присутствии этиленгликоля происходит быстрая преципитация иммунокомплексов; если имеется значительный избыток антитела, преципитат вызывает турбидность (поглощение света), степень которой зависит от концентрации альбумина в исследуемом образце (турбидность определяют фотометрически при длине световой волны 340 нм). Содержание альбумина в исследуемом образце определяют по калибровочной кривой, которую строят по результатам определения концентрации альбумина с применением набора калибраторов. Калибровочной кривой пользуются либо непосредственно графически, либо с помощью специальной компьютерной программы. Содержание альбумина, определенное во второй после утренней 3-часовой порции мочи, умножают на 8 для получения содержания альбумина в суточной моче. Норма экскреции альбумина при использовании данного метода составляет 25 мг/сут. Минимальная определяемая концентрация альбумина равна 5 мг/л.