Фотометрия – инструментальный анализ окрашенных жидкостей. Принцип основан на снижении интенсивности световой волны, проходящей через фильтр. Мембраной служит окрашенная проба жидкости в стеклянной кювете. Концентрация вещества определяется по закону Бугера-Ламберта-Бера. Молекулы разных составов поглощают световые электромагнитные волны определенной длины. Анализ проводят на спектрометрах, фотометрах и фотоколориметрах. Приборы отличаются использованием монохромного или фильтрованного луча, методами измерения и получения результатов.
Особенности приборов для фотометрических измерений
Фотометр – прибор, работающий на монохромной волне длиной 315-1050 нанометров, но в широком диапазоне частот. Отобранная проба фильтруется, добавляются реактивы для окраски загрязняющего вещества. Прибор настраивают на волну в диапазоне загрязняющего вещества. Измеряют интенсивность потока на входе и выходе из кюветы. Получают результат. Фотометры с заводской настройкой на определение группы веществ используются для экспресс анализов.
Спектрофотометры СФ-46 работают, преобразуя, сравнивая два потока оптического излучения, до и после взаимодействия с образцом. Используется монохромная волна 190-1100 нм, работает прибор в спектральном диапазоне 400-750 нм с погрешностью до 0,5 %.
По другой схеме на пробу подается полихромный поток света, монохроматор на выходе выделяет узкий сектор для исследования в фотоприемнике. Прибор исследует волны 160-3300 нм, выдает информацию о веществе, обнаруживает неизвестные загрязнения в малом количестве.
Лабораторные фотоколориметры ФКФ, ФЭК 56, ФЭК-56М работают с известными растворами, после подготовки графика для определения вещества по светопоглощающей способности. Эти приборы комплектуются ТПР, обеспечивая определение фотометрическим титрованием.
В них световая волна длиной 315-630 нм обеспечивается установкой компенсирующих фильтров, так используется полихромный луч. Одинаковые по интенсивности пучки света пропускают через контрольную и рабочую кюветы, определяют концентрацию пробы через светопоглощение, измерением электрических импульсов, полученных с фотоэлемента.
Достоверность результатов, полученных с приборов этой категории одинакова для параллельных проб, так как по закону Бугера-Ламберта-Бера:
- Окрашенный раствор одинаковой концентрации, толщине слоя и в равных условиях поглощает одну долю падающего света.
- Закономерность справедлива для слабо окрашенных растворов, чтобы показатель преломления соответствовал растворителю.
- Температура при измерении должна быть постоянной.
- Пучок света параллельный.
- Светопоглощение только для одного компонента.
Методы определения компонентов
Технология исследования на приборе включает операции:
- Подготовка пробы с переводом исследуемого вещества в состояние, когда он поглощает электромагнитные колебания.
- Измерение интенсивности поглощения проводят в спектре 315-630 нм.
- Учет потерь при прохождении света через кюветы, растворитель, рассеяние, которое уравновешивается контрольной кюветой.
- Подбор оптимального диапазона измерения с установкой оптического фильтра.
Важно подготовить ФЭК к работе, согласно инструкции. Обязательно прогреть прибор после включения в течение 30 минут. Выбор размера кювет зависит от интенсивности окрашивания раствора, а их чистота обеспечит меньшую погрешность в измерениях. В комплекте поставляют кюветы из кварцевого стекла длиной 1-50 мм и объемом 0,5-20 мл.
Пройдя сквозь кювету с окрашенным раствором, световой поток попадает на фотоэлемент и создает электрический потенциал. Чтобы перевести показания электрического импульса в концентрацию, необходимо воспользоваться переводным графиком.
Методом сравнения по другому называют методом молярного коэффициента светопоглощения, сравнивая концентрацию рабочего раствора с калиброванными. В этом случае необходимо подобрать контрольный раствор под рабочий по интенсивности светопоглощения. Шкала эталонных растворов готовится заранее.
Компенсационный метод также относится к сравнению цвета эталонного и рабочего раствора. Они совмещаются на экране применением приспособлений, что облегчает подгонку тона с высокой точностью. При достижении полного совпадения, поля сливаются. При этом не нужно менять калибровочную кювету – в рабочий раствор добавляют растворитель, или увеличивают окрашенный слой. Обсчет результатов ведут по разработанной методике.
При массовом выполнении однотипных анализов по определению малых концентраций ионов, в результате образования комплексных солей приобретающих характерную окраску, составляют градуировочные графики на каждый определяемый компонент. В этом случае калибровочные растворы не хранят, а используют их, как рабочие. Контрольной будет кювета с растворителем. Показатели преломления основных растворителей известны:
- вода – 1,3333;
- хлороформ – 1,4456;
- этанол – 1,3613.
Измеряют оптические плотности калиброванных растворов, по результатам строят кривую. Важно, чтобы разброс точек был минимальным, а линия зависимости оптической плотности раствора от количества вещества начиналась от нулевой точки координат.
Метод добавок применяют, когда в сложном многокомпонентном составе нужно определить искомое вещество в малой концентрации. В этом случае определяют оптическую плотность пробы, в которой содержится искомый компонент. Далее к пробе добавляют заведомо известное количество определяемого вещества. При вторичном измерении оптическая плотность добавки увеличится, за счет имеющегося в пробе того же элемента. Подсчитать содержание искомого вещества можно по графику или методике.
Определение вещества методом фотометрического титрования доступно, если прибор оснащен титровальной приставкой. В этом случае строятся линии на титрант и пробу на одном графике. Точка пересечения этих прямых будет точкой эквивалентности. Именно на этот показатель нужно ориентироваться в титровании на калориметре.
Преимущества и недостатки фотометрии
Особенность фотометрических методов определения элементного состава в получении стабильного цвета пробы, на время измерений. Важно контролировать рН раствора, так как комплексные окрашенные соединения теряют цвет в кислой среде. Важно подготовку проб и исследования проводить при постоянной температуре, соответствующей стандартным условиям.
Достоинства приборов:
- Определение малых концентраций ионов тяжелых и щелочноземельных металлов, сложных веществ.
- Высокая избирательность.
- Погрешность результатов 0,5-1,5%.
Недостатки:
- Методы ограничены трудностями приготовления эталонных растворов, когда в пробе присутствуют вещества, которые не определяются, но оказывают влияние на результат.
- Сложная подготовка проб для анализа. Необходимость градуировки или построения калибровочных графиков.
Заключение
Инструментальные методы анализов точнее, выполняются быстрее. Исключаются ошибки, связанные с применением нескольких этапов осаждения, выпаривания, прокаливания, экстракции. Точность многоступенчатых исследований ниже, погрешности суммируются.