9.4. Оптичні методи. Загальні поняття.

В оптичних методах анализу складу розчинів використовується зв'язок між складом розчину та оптичними властивостями системи, які визивають: світлопоглинання, світлорозсіювання, заломлення світла, обертання площини поляризації плоскополяризованого світла, а також залежність вторинного світіння речовини в залежності від її складу.Звідси розрязняють відпорвідно: колориметричний аналіз; нефелометричний та турбідіметричний аналіз; рефрактометричний аналіз; поляриметричний аналіз та люмінесцентний аналіз.

Таким чином, до оптичних методів контролю складу рідин відноситься:

• абсорбційний метод, при реалізації якого використовується явище селективного (вибіркового) поглинання світла в контролюємій речовині;

• нефелометричний – використовується явище розсіювання світла на частинках, що знаходяться в рідині або газі;

• рефрактометричний – використовується залежність показника заломлення від концентрації контролюємого рідкого середовища;

• полиреметричний – використовується властивість деяких активних речовин повертати площину поляризації при проходженні через них плоскополяризованого світла.

• люмінесцентний – використовується залежність вторинного світіння речовини в залежності від її складу.

По техніці виконання оптичні методи розділяють на суб’єктивні (візуальні, не автоматичні) та на об’єктивні (фотоелектричні), які використовуються в системах автоматичного контролю якості.

В фотоелектричних (автоматичних) абсорбційних методах використовується різні довжини хвиль електромагнітного спектру:

- видимі довжини хвиль, тоді методи називаються колориметричні;

- ультрафіолетові;

- інфрачервоні (невидимі).

Кожну із довжин хвиль вибирають залежно від оптичних властивостей контролюємих речовин.

Нефелометричні методи розділяють на: турбідиметричні, якщо вимірювання проводяться в світлі, що проходить крізь речовину; та безпосередньо нефелометричні – коли вимірювання проводять під кутом до напрямку падаючого світла.

В рефрактометричних методах використовується показник заломленя світла та явище повного внутрішнього відбиття.

В поляриметричних – використовується властивість деяких активних речовин обертати площину поляризації при проходженні крізь них плоскополяризованого світла.

9.5. Колориметричний метод аналізу

Метод відноситься до абсорбційних спектральних методів, в яких реалізується властивість розчину поглинати певну кількість світла і ґрунтується на порівнянні кількісної зміни світла, яке проходить через контролюємий та еталонний розчин. По призначенню фотоколориметри ділять на концентраційні та кольорові. Якщо вимірювання проводять в монохроматичному світлі (однієї довжини хвилі) з використанням фотоприймачів, то метод називається спектрофотометричним, а при вимірюванні з немонохроматичним світлом (використовується загальна видима частина спектру світла) – метод називається фотоколориметричним.

Принципова схема одноканального фотоколориметричного аналізатора рідини приведена на рис.11.8. Світловий потік, що виходить із вимірювальної кювети з розчином попадає на фотоелектричний прилад (фотоелемент). При цьому сила струму в ланцюгу електровимірювального приладу прямо пропорційна падаючому на фотоелемент потоку світла. Якщо відома залежність потоку світла від концентрації розчину і залежність фотоструму від світлового потоку, то по показам електровимірювального приладу можна визначити концентрацію аналізуємого розчину (його компоненти).

Основний закон колориметрії записується однією формулою і об’єднує 2 закони: 1) Ламберта-Бугера, що встановлює залежність між поглинаючою властивістю та товщиною шару контролює мого розчину; 2) закон Бера, в відповідності з яким коефіцієнт поглинання світла пропорційний концентрації речовини: F= F_o *10^-ксα, ( 9.11)

де F – світловий потік, що пройшов крізь контролюєме середовище; F_o - початковий світловий потік, що падає на поверхню контролює мого розчину; к – молярний коефіцієнт поглинання (погашення); С – концентрація розчиненої речовини в грам – молекулах на літр; α – товщина шару розчину,або довжина шляху проходження світла в розчині, см.

Рис. 11.8. Одноканальний фотоколориметричний аналізатор складу рідин.

Величина (F/F_o) = T= 10^-ксα, називається пропусканням розчину.

Якщо прологарифмувати залежність, то отримаємо формулу для визначення концентрації:

C=(lg(1/T))/(k*α)+D/( k*α), (9.12)

де D - оптична густина, D = lg(1/T) або D=ckα . (9.13)

Із формули (9.12) видно, що концентрація С залежить від Т, що характеризує прозорість розчину, коефіцієнтa погашення (поглинання) k, та товщини шару α; а із (9.13), що оптична густина пропорційна концентрації С, молярному коефіцієнту погашення k та товщини шару розчину α.

В фотоколориметрах (в доповнення) використовується ще перший закон фотоефекту – закон Столєтова (закон світлової характеристики фотоелемента): фотострум фотоелементу знаходиться в прямолінійній залежності від зміни світлового потоку, що падає на нього

I=F*ε , (9.14)

де І - фотострум,мкА; F- світловий потік,лм; ε - інтегральна чутливість фотоелементу,мкА/лм.

Тому у фотоколориметрах відношення світлових потоків можна замінити на відношення фотострумів і оптична густина D дорівнює:

D =(lg(I_o/I))/(k*α). (9.15)

Для збільшення чутливості колориметричного методу і виконання прямолінійної залежності між оптичною густиною D та концентрацією С необхідно використовувати відносно вузький відрізок довжин хвиль світла, в якому відбувається максимальне поглинання світла контролюємою речовиною. Це досягається за допомогою світлофільтрів, що встановлюється між джерелом світла та фотоприймачем, в якості якого використовують селенові фотоелементи та фотоопори. Як джерело світла використовуються газові (неонові) лампи.

Варіант виконання загальнопромислового двоканального автоматичного регулюючого диференціального фотоколориметра приведена на рис. 11.9.

Рис. 11.9. Схема двоканального диференціального фотоколориметра.

Призма 1 розділяє світловий потік на два – один проходить крізь вимірювальну кювету, другий – через еталонний розчин. Призма 2 – об’єднує два потоки в один (загальний),що направляється на диференційний фотоопір ФСК – 7. Плечц фотоопору підключені до мостової вимірювальної схеми. При появі небалансу сигнал підсилюється і подається РD, який обертає оптичний клин, який компенсує зміну фотопотоку через вимірювальну кювету, то одночасно переміщує стрілку відлікового пристрою.

Датська фірма Foss Еlectric випускає колориметричний прилад “Мілко-Тестер” для молочної промисловості типу МК-ІІІ для визначення вмісту жира в молоці. Точність- +/-0,06% від вмісту жиру. Ця ж фірма випускає фотокалориметри типу МКП і РМА для визначення вмісту білка в молоці з цифровим табло.