8. Молекулярная спектроскопия (фотометрия, спектрофотометрия)

Фотометрия - 1) общая для всех разделов прикладной оптики научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения; 2) раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света.

Фото́метр — прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин.

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.

При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью.

Освещённость измеряют люксметрами, яркость — яркомерами, световой поток и световую энергию — с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами.

Спектрометр — оптический прибор, используемый для накопления спектра, его количественного подсчета и последующего анализа с помощью различных аналитических методов. Спектрометры могут различаться по спектральному диапазону, спектральной чувствительности, оптической схеме.

Основное назначение спектрометра — количественная интерпретация получаемого спектра с целью получения аналитических данных. В большинстве случаев аналитические программы сравнивают полученный спектр со спектром вещества, чей состав известен. Различают следующие типы спектрометров: рентгенофлуоресцентный спектрометр (РФА спектрометр), который нашел широкое применение благодаря гибкости, лёгкости калибровки и хорошей точности, искровой оптико-эмиссионный спектрометр, лазерный спектрометр, ИК спектрометр, спектрометр индуктивно-связанной плазмы, атомно-абсорбционный спектрометр, масс-спектрометр, и другие.

Спектрофотометрия (абсорбционная) — физико-химический метод исследования растворов и твёрдых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в ультрафиолетовой (200-400 нм), видимой (400-760 нм) и инфракрасной (>760 нм) областях спектра. Основная зависимость, изучаемая в спектрофотометрии зависимость интенсивности поглощения падающего света от длины волны. Спектрофотометрия широко применяется при изучении строения и состава различных соединений (комплексов, красителей, аналитических реагентов и др.), для качественного и количественного определения веществ (определения следов элементов в металлах, сплавах, технических объектах). Приборы спектрофотометрии — спектрофотометры.

Спектрофотометр (от спектр и фотометр) — прибор для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне, нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа и фотометрирования.

Спектрофотометры могут работать в различных диапазонах длин волн – от ультрафиолетового до инфракрасного. В зависимости от этого приборы имеют разное назначение.

В зависимости от вида поглощающих частиц и способа трансформирования поглощенной энергии различают:

- атомно-абсорбционный анализ – поглощение световой энергии атомами анализируемых веществ (используется при определении ионов металлов: медь, никель, серебро и др.);

- молекулярный абсорбционный анализ – поглощение света молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК - спектроскопия);

- турбидиметрия, нефелометрия – поглощения и рассеяния световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества (сульфаты, взвешенные вещества);

- люминесцентный (флуорометрический) анализ – измерение излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества;

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

К наиболее широко применяемым в анализах жидких сред относятся методы анализа фотометрии и спектрофотометрии.

Фотометрические (абсорбционные) методы анализа основаны на избирательном поглощении света анализируемым веществом. При взаимодействии со световой энергией в атомах поглощаю­щего вещества происходит переход электронов на более удален­ные от ядра энергетические уровни.

hν=∆Е=Е₂ – Е₁

h – постоянная Планка h =6,625×10 ^-34 _дж/сек

ν – постоянная поглощаемого излучения сек^-1 1 1Гц=1с-¹

Электронные переходы, вы­званные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются появлением столь же строго опреде­ленных полос поглощения в электронных спектрах поглощаю­щих атомов или молекул. Таким образом, каждое вещество об­ладает способностью поглощать лучистую энергию в виде кван­тов энергии, соответствующих определенным длинам волн. Ли­нии или полосы поглощения располагаются в ультрафиолетовой (200—400 нм) , видимой (400—700 нм) или инфракрасной обла­стях спектра (>700 нм) (например приборы Тепловизора).

В зависимости от используемой аппаратуры в фотометриче­ском анализе различают спектрофотометрические методы ана­лиза по поглощению монохроматического света (т.е. с одинако­вой длиной волны) и фотоколориметрические методы, когда анализ осуществляется по поглощению полихроматического (не­монохроматического) света, содержащего излучение различных длин волн.

Метод анализа, основанный на переведении определяемого компонента в поглощающее свет соединение с последующим оп­ределением этого компонента путем измерения светопоглощения раствора, называется фотометрическим.

Первоначально фотометрический анализ был основан на оценке интенсивности окраски раствора данного вещества раз­личной концентрации; метод получил название колориметрия (от греческого колор — цвет). При колориметрировании окра­шенный раствор поглощает сплошное излучение немонохрома­тического видимого участка спектра.

С появлением приборов, регистрирующих светопоглощение растворов с помощью фотоэлементов,— фотоэлектроколориметров или фотоколориметров — метод стал называться фотоколо­риметрическим или фотометрическим.

Не путать калори́метр и колори́метр !

Калори́метр (от лат. сalor-тепло) — прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе.

Колори́метр — прибор для измерения цвета в какой-либо цветовой шкале или для сравнения интенсивности окраски исследуемого раствора со стандартным. Широко применяются в промышленности и лабораторной практике.

Колориметрический метод анализа основан на изменении поглощения света веществом. Сравнивают интенсивность окраски исследуемого раствора с окраской стандартного раствора, концентрация которого известна. Метод весьма чувствителен и применяется для определения микроколичеств.

В фотоколориметрах по­явилась возможность частичной монохроматизации спектра све­тофильтрами. С помощью светофильтра выбирают участок спектра в той области длин волн, где поглощение света для данного раствора минимально. Светофильтры для фотометрирования выбирают так, чтобы максимум поглощения раствора соответствовал максимуму пропускания (минимуму поглоще­ния) светофильтра. Фотометрическое определение получается тем точнее, чем более узкий участок спектра удается выделить светофильтром (hν=λ=520 определенная длина волны для нитритов).

Цвет растворов и соответствующих им светофильтров

Цвет раствора, нм	Область максимального поглощения лучей	Цвет светофильтра
Желто-зеленый	400-450	Фиолетовый
Желтый	450-480	Синий
Оранжевый	480-490	З Зелено-синий
К расный	490-500	Сине- зеленый
Пурпурный	500-560	Зеленый
Ф Фиолетовый	560-575	Желто-зеленый
Синий	575-590	Желтый
Зелено-синий	590-625	Оранжевый
Сине-зеленый	625-700	Красный

Приборы, позволяющие монохроматизировать световой луч, называются спектрофотометрами. Они позволяют анализиро­вать не только окрашенные, но и бесцветные растворы по по­глощению в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной обла­стях спектра.

Равенству фототоков соответствует нулевое положение гальванометра. Спектрофотометры имеют вместо светофильтров кварцевую призму или ди­фракционную решетку и зеркало-конденсатор, отклоняющее лучи и направ­ляющие их на щель монохроматора. Выходящий монохроматический пучок света проходит через исследуемый раствор, линзу и падает на фотоэлемент. Возникающий фототок передается на прибор-индикатор (гальванометр): при равенстве световых потоков гальванометр показывает 0. Спектрофотометры имеют кварцевую оптику, поэтому изучать спектры поглощения можно в ультрафиолетовой, видимой и ближайшей инфракрасной области в интер­вале длин волн λ = 220н-1100 нм.

Высокая чувствительность и возможность определения почти всех элементов, позволила фотометрическому методу применять их для определения как больших концентраций компонентов (20—30%), так и мик­ропримесей (10~³—10~⁴ %).

В зависимости от используемой аппаратуры в фотометрическом анализе различают спектрофотометрический метод – анализ по поглощению монохроматического (немонохроматического) света в видимой области спектра. Оба метода основаны на пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.

Фотометрические методы подразделяют на прямые и косвенные. В прямых методах определяемый ион (М) с помощью реагента (R) переводят в светопоглощающее состояние (MR), а затем измеряют интенсивность светопоглощения раствора этого соединения. При косвенных определениях используют вспомогательные соединения, которые при взаимодействии с определяемым веществом либо разрушаются сами, либо образуют новые светопоглощающие соединения.

Спектр поглощения (или, более корректно, абсолютный спектр поглощения вещества) представляет собой зависимость количества поглощенного света от длины волны.

Такие спектры для красителей в видимой области (400–700 нм) имеют иногда несколько максимумов. Спектры поглощения в ультрафиолетовой (200–400 нм) и видимых областях отражают переходы связанных и несвязанных электронов в молекуле. Это обычно делокализованные π-электроны двойных С=С связей и неподеленные пары азота и кислорода. Поскольку, как правило, все электроны в молекуле при комнатной температуре находятся на нижнем энергетическом уровне, спектры в этой области дают информацию об основном и первом возбужденном электронных состояниях молекулы. Ввиду того, что длина волны поглощенного света соответствует определенному переходу, пики на спектрах поглощения вещества обусловлены присутствием в нем известных структур. Длина волны, при которой наблюдается максимальное поглощение света, обозначается через λмакс. Положение максимума спектра поглощения является важной оптической характеристикой вещества, а характер и вид спектра поглощения характеризуют его качественную индивидуальность. Группа в молекуле, которая дает вклад в спектр ее поглощения, называется хромофором. Такой группой является, например, карбонильная группа >С=О, существующая у всех аминокислот.

Фотометрические методы определения концентрации растворов основаны на сравнении поглощения при пропускании света стандартными и исследуемыми растворами. Степень поглощения света фотометрируемым раствором измеряют с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому (контрольному) раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать аликвотную часть исследуемого раствора, содержащего все добавленные компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым веществом окрашенное соединение. Если добавляемый реагент и все остальные компоненты раствора сравнения бесцветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

Метод градуировочного графика. Для определения содержания вещества методом градуировочного (калибровочного) графика готовят серию из 5–8 стандартных растворов разных концентраций (не менее 3 параллельных растворов для каждой точки).

При выборе интервала концентраций стандартных растворов руководствуются следующими положениями:

а) он должен охватывать область возможных изменений концентрации исследуемого раствора; желательно, чтобы оптическая плотность исследуемого раствора соответствовала примерно середине градуировочной кривой;

б) желательно, чтобы в этом интервале концентраций при выбранных толщине кюветы l и аналитической длине волны λ, (в большинстве случаев λ = λмакс светопоглощающего соединения) соблюдался основной закон светопоглощения, т.е. график А = f(C) был линейным;

в) интервал рабочих значений λ, соответствующий интервалу стандартных растворов, должен обеспечивать максимальную воспроизводимость результатов измерений.

При совокупности перечисленных условий измеряют оптические плотности стандартных растворов относительно растворителя и строят график зависимости А = f(C). Полученная кривая называется градуировочной или калибровочной и имеет вид прямой выходящей из начала координат. Экстраполировать калибровочную прямую к значениям оптических плотностей, лежащим выше последней экспериментально полученной точки, не рекомендуется. Периодически (раз в неделю или реже) калибровочную кривую проверяют по 2–3 свежеприготовленным стандартным растворам. Калибровочные графики, построенные с реактивами разных партий, как правило, не совпадают. Поэтому при смене реактивов график необходимо построить заново. График, построенный при работе на одном приборе, нельзя использовать для расчетов результатов, полученных на другом.

Определив оптическую плотность опытного раствора Ах, находят ее значение на оси ординат, а затем на оси абсцисс – соответствующее ей значение концентрации Сх.

Этот метод применяют при выполнении серийных фотометрических анализов. Он дает хорошие результаты при соблюдении основного закона светопоглощения.

В отличие от других фотометрических методов, метод градуировочного графика позволяет определить концентрацию окрашенных растворов даже в тех случаях, когда основной закон светопоглощения не соблюдается. Для построения градуировочной кривой в этих случаях приготавливают значительно большее число стандартных растворов, отличающихся друг от друга по концентрации не более чем на 10%. Такой градуировочный график, имеющий на пологом участке угол наклона не менее 15°, все же позволяет проводить фотометрические измерения, несмотря на то, что между концентрацией раствора и его оптической плотностью нет линейной зависимости. Воспроизводимость определений в этом случае ниже, чем в случае линейной зависимости А = f(C).