2.2.1. Фотоколориметрические методы анализа

Фотоколориметрические методы определения концентрации вещества основаны на сравнении поглощения или пропускания света стандартным и исследуемым окрашенным растворами. В отличие от визуальных методов, в фотоколориметрии степень поглощения света окрашенным раствором определяется не глазом, а с помощью специальных оптических приборов – колориметров с фотоэлементами (фотоэлектроколориметров).

Фотоэлемент преобразует световую энергию, проходящую через фотометрируемый раствор, в электрическую. Согласно законам фотоэффекта, сила возникающего фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего на фотоэлемент света. Следовательно, отношение интенсивности световых потоков, используемого в выражении основного закона светопоглощения, может быть заменено на равное ему отношение величины фототоков. Это и используется в фотоколориметрии, где фактически сравнивают не светопоглощение растворов, а величины фототоков.

Теоретические основы. Прохождение пучка излучения J₀ через раствор, находящийся в кювете сопровождается следующими явлениями (рис. 2): часть излучения J_ОТ теряется на отражении от поверхности раствора; часть J_Р рассеивается твердыми частицами, если они присутствуют в растворе; часть J_А поглощается молекулами растворенного вещества, а остальная часть излучения J_t проходит через раствор в кювете:

J₀ = J_ОТ + J_Р + J_А + J_t .

Ослабление светового потока J_ОТ в результате отражения на границе воздух – стекло и стекло – раствор относительно невелико и постоянно в кюветах с раствором и растворителем. Поэтому этой величиной можно пренебречь.

J_t

Рисунок 2 – Схема прохождения излучения через раствор

Рассеянное излучение J_Р, поддающееся прямому измерению, практически сводится к нулю. Тогда можно составить упрощенное уравнение:

J₀ = J_А + J_t .

Интенсивность падающего J₀ и прошедшего через кювету с раствором светового потока J_t можно непосредственно измерить. Поглощенное системой излучение J_А непосредственному измерению не поддается, но его можно определить по разнице J₀ – J_t .

Отношение интенсивности света, прошедшего через раствор, к интенсивности света, падающего на раствор, называется светопропусканием. Его обозначают Т:

Т = J_t / J₀ или в процентах Т = J_t / J₀ 100.

Доля светового потока, поглощенного раствором, т.е. J_А / J_t , называется светопоглощением, и эту величину выражают как 1 – Т или в процентах 100 – Т.

Логарифм величины, обратной светопропусканию, называют оптической плотностью или экстинкцией:

D = 1g. 1 / Т.

По закону Бугера – Ламберта – Бера оптическая плотность раствора прямо пропорциональна произведению концентрации поглощающего свет вещества (С) на толщину слоя раствора (d):

D = εсd,

где ε – молярный коэффициент экстинкции – оптическая плотность сантиметрового слоя раствора одномолярной концентрации. Он зависит от природы растворенного вещества, длины волны падающего излучения и температуры. Его величина одинакова для растворов разных концентраций, содержащих идентичные частицы растворенного вещества.

Закон Бугера – Ламберта – Бера справедлив только для монохроматического света, т.е. света, характеризующего определенной частотой или длиной волны.

Оптическую плотность измеряют в одной и той же кювете или совершенно одинаковых. При этом условии для данного растворенного вещества произведение коэффициента экстинкции на слой раствора будет величиной постоянной, т.е. ed = K. Отсюда D = KC.

На этом соотношении основано определение концентрации окрашенного вещества по оптической плотности раствора.

Закон Бугера – Ламберта – Бера, утверждающий независимость поглощения света молекулами от их сближения при увеличении концентрации, справедлив для достаточно разбавленных растворов.

Фотоэлектроколориметр КФК-2. Прибор предназначен для измерения светопропускания и светопоглощения растворов и твердых тел в отдельных диапазонах длин волн 315-980 нм (1 нм = 10^-9 м), также определения концентраций веществ в растворах методом построения градуированных графиков. Позволяет также вести измерения коэффициентов пропускания рассеивающихся взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете. Оптическая схема прибора представлена на рис. 3.

Источник излучения 1 – лампа галогенная малогабаритная. Конструкция механизма осветителя обеспечивает перемещение лампы в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Далее луч света, пройдя через оптический узел (конденсатор 2, диафрагма 3, объектив 4 и теплозащитные фильтры 5), попадает на светофильтр 6, после которого становится монохроматичным. Светофильтры вмонтированы в диск. В световой пучок светофильтры вводят специальной ручкой. Спектральные характеристики светофильтров приведены в табл. 1.

Рисунок 3 – Оптическая схема фотоэлектроколориметра КФК-2:

1 – лампа накаливания; 2 – конденсатор; 3 – диафрагма; 4 – объектив;

5 - теплозащитные фильтры; 6 – светофильтр фотоэлемента Ф-26; 7 – защитные стекла; 8 – кювета; 9 – делитель светового потока; 10 – светофильтр фотодиода ФД-7К; 11 – матовые стекла; 12 – фотоэлемент Ф-26; 13 – фотодиод ФД-7К

Таблица 1 – Светофильтры колориметра КФК-2

Маркировка на диске	Маркировка светофильтра	Длина волны, соответствующая максимуму пропускания, нм	Ширина полосы пропускания, нм
1	315	315±5	35±15
2	340	340±5	45±10
3	400	400±5	45±10
4	440	440±10	40±15
5	490	490±10	35±10
6	540	540±10	25±10
7	590	590±10	25±10
8	670	670±5	20±5
9	750	750±5	20±5
10	870	870±5	25±5
11	980	980±5	25±5

После светофильтра световой поток с узким диапазоном длин волн проходит через кювету 8 с раствором, где ослабляется, а затем попадает или на регистрирующий фотоэлемент Ф-26, работающий в пределах 315 – 540 нм, или на фотодиод ФД-7К при измерении в пределах спектра 590 – 980 нм. Встроенная наклонная пластинка 9 делит световой поток на две части, из которых 90% направляется на фотоэлемент Ф-26, а 10% - на ФД-7К. Для уравновешивания фототоков при работе с различными цветными фильтрами перед фотодиодом установлен светофильтр 10. Фототоки после усиления измеряются микроамперметром, который имеет две шкалы: Т – отсчет дает коэффициент светопропускания и Д – отсчет дает коэффициент оптической плотности.

Рисунок 4 – Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2

Сущность измерения коэффициента светопропускания состоит в том, что сначала на пути светового потока ставят кювету с растворителем или контрольным раствором. Изменяя чувствительность прибора с помощью диафрагм, работают ручками «Установка 100 грубо» и «Точно», выводят стрелку микроампера на 100, т.е. полный световой поток J₀ условно принимают равным 100%. Затем в световой поток помещают кювету с исследуемым раствором. Отсчет по шкале дает коэффициент светопропускания (Т):

Т = J_t / J₀ ▪ 100.

Прибор КФК-2МП в отличие от КФК-2 имеет микроЭВМ, которая обрабатывает электрические сигналы и представляет их на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации и активности, а КФК-3 оборудован цифропечатью.

Рисунок 5 – Колориметр фотоэлектрический КФК-3