Цель: Изучить основы спектрофотометрии, устройство и принцип работы спектрофотометров

 

План:

1. Спектрофотометрия

2. Устройство и принцип работы современных спектрофотометров

​

              1.Спектрофотометрия

     Спектрофотометр - спектральный прибор, который осуществляет фотометрирование - сравнение измеряемого потока с эталонным (референтным) для непрерывного или дискретного ряда длин волн излучения. Спектрофотометр обеспечивает отсчёт или автоматическую регистрацию результатов сравнения в соответствующей двумерной шкале: абсцисса - длина волны, ордината - результат фотометрирования на этой длине волны. Спектрофотометрами также называют аналитические приборы, которые не измеряют спектров, а определяют концентрации элементов в пробе по линиям абсорбции (или эмиссии) атомов в пламени (атомно-абсорбционные или пламенные спектрометры) или определяют концентрации компонент в смесях веществ по характеристическим полосам поглощения (например, двуволновые инфракрасные спектрофотометры или спектрофотометры-анализаторы). 

           Двухлучевые спектрофотометры. В двухлучевых оптических схемах поток от источника разделяется на два пучка - основной и пучок сравнения (референтный). Чаще всего применяется двухлучевая схема "оптического нуля", представляющая собой систему автоматического регулирования с обратной связью.

Многочисленные модели спектрофотометров, выпускаемые серийно фирмами многих стран, можно разделить на 3 основных класса: сложные универсальные спектрофотометры для научных исследований (R = 103-104), приборы среднего класса (R = 103) и простые, "рутинные", спектрофотометры (R = 100-300). В спектрофотометрах 1-го класса предусмотрена автоматическая смена реплик, источников, приёмников, что позволяет охватить широкий спектральный диапазон. Наиболее распространены диапазоны 0,19-3 мкм, 2,5-50 мкм и 20-330 мкм. Конструкции этих спектрофотометров обеспечивают широкий выбор значений R, М, Df, скоростей и масштабов регистрации спектров различных объектов. В приборах среднего класса (рис. 6) используемый спектральный диапазон меньше и выбор режимов ограничен. В простых спектрофотометрах предусматриваются обычно 1-2 стандартных режима с простейшим управлением "пуск - стоп"; это переносные приборы массой 20-40 кг.

     Кроме спектрофотометров, работающих по схеме "оптического нуля", существуют прецизионные спектрофотометры, построенные по схеме "электрические отношения". В них световые пучки двухлучевого фотометра модулируются различными частотами (или фазами) и отношение потоков определяется в электрической части прибора. В конструкции специальных типов спектрофотометров вводят микроскопы (микроспектрофотометры), устройства для исследований спектров флуоресценции (спектрофлуориметры), поляризации (спектрополяриметры), дисперсии показателя преломления (спектрорефрактометры), измерений яркости внешних излучателей по сравнению с эталонным (спектрорадиометры).

           Автоматические спектрофотометры являются основными приборами для исследований спектральных характеристик веществ и материалов и для абсорбционного спектрального анализа в лабораториях.

Однолучевые нерегистрирующие спектрофотометры - обычно простые и относительно дешёвые приборы для области 0,19-1,1 мкм, схема которых аналогична приведённой на рис. 4. Нужная длина волны в них устанавливается вручную; образец и эталон, относительно которого измеряется пропускание или отражение, последовательно вводятся в световой пучок. Отсчёт снимается визуально по стрелочному или цифровому прибору. Для увеличения производительности спектрофотометры оснащаются устройствами цифропечати и автоматической подачи образцов. Отличие данного метода от фотоколориметрии в том, что анализ осуществляют по поглощению веществами монохроматического излучения в УФ-, видимой и ИК-областях спектра.

              Качественный анализ веществ по их спектрам поглощения проводят двумя способами:

- по известным параметрам спектра поглощения исследуемого вещества;

- сравнением спектров поглощения растворов стандартного и исследуемого вещества одного и того же состава.

Применение в анализе метода спектрофотометрии основано на использовании для определения концентраций веществ закона Бугера-Ламберта-Бера. В отличие от фотоколориметрических определений, в спектрофотометрии можно анализировать не только окрашенные, но и бесцветные растворы. В последнем случае анализ проводят не в видимой, а в УФ- или ИК-областях спектра.

        Спектрофотометрические методы, в сравнении с фотоколориметрическими, позволяют решать более широкий круг вопросов:

- одновременное количественное определение нескольких компонентов многокомпонентных смесей;

- определение состава и констант устойчивости комплексных соединений;

- определение констант ионизации кислт, оснований и др.

            Основным видом приборов для спектрофотометрии являются спектрофотометры, в которых, в отличие от фотоэлектроколориметров, монохроматизация света обеспечивается не светофильтрами, а специальными оптическими устройствами – монохроматорами, позволяющими непрерывно изменять длину волны электромагнитного излучения, проходящего через анализируемый раствор.

​

              2. Устройство и принцип работы современных спектрофотометров

             Современные спектрфотометры, как и ФЭКи, имеют две принципиальные схемы – одно- и двухлучевую – и состоят, как правило, из 5 основных узлов:

1.Источника видимого, УФ- или ИК-излучения.

2.Монохроматора (призмы или дифракционной решетки).

3.Кюветного отделения с кюветами.

4.Фотоэлементов.

5.Индикатора сигнала фототока (гальванометр, цифровой вольтметр, микропроцессор).

     В спектрофотометрическом анализе необходимо создавать оптимальные условия для достижения определенной точности и воспроизводимости результатов. Относительная ошибка спектрофотометрических определений индивидуальных веществ не превышает ±2%. При измерениях в видимой и УФ-областях спектра пригодны растворители, не содержащие примесей и не поглощающие в данной спектральной области. В качестве растворителей используют воду, спирты, хлороформ, растворы кислот и щелочей.

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

 

 

 

 

            Концентрацию раствора и толщину слоя подбирают таким образом, чтобы значение оптической плотности находилось в пределах 0,2 – 0,7, что обеспечивает минимальную ошибку измерений. В количественном анализе используют так называемые аналитические полосы поглощения, которые должны иметь достаточно высокий показатель поглощения для индивидуального вещества (используют максимум или минимум полосы поглощения).

Использование участков крутого спада или подъема кривой светопоглощения приводит к большим ошибкам измерений. При наличии других компонентов в растворе выбранная полоса, по возможности, не должна накладываться на полосы других компонентов. С целью проверки правильности показаний спектрофотометров используют стандартный образец калия дихромата, из которого готовят раствор, содержащий 60,06 мг указанного образца в 1 л раствора, приготовленного с помощью раствора серной кислоты (концентрация 0,005 моль/л).

Величины оптических плотностей для указанного раствора при различных длинах волн должны отвечать приведенным в таблице.

​

​

​

​

​

             Основные методы определения концентрации растворов с помощью абсорбционной спектрофотометрии и их характеристики:

- метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого растворов. Измеряют оптическую плотность исследуемого и стандартного растворов (концентрация последнего должна быть близкой к концентрации исследуемого). Расчет концентрации исследуемого раствора (Сх) осуществляют по формуле:

​

​

​

​

- метод градуировочного графика. Готовят серию стандартных растворов из стандартного образца и строят градуировочный график в координатах D-C. Измеряют оптическую плотность исследуемого раствора и определяют его концентрацию с помощью градуировочного графика.

- метод определения по среднему значению молярного (удельного) коэффициента светопоглощения. Определяют оптическую плотность исследуемого раствора и рассчитывают его концентрацию с помощью уравнения основного закона светопоглощения.

- метод добавок. Измеряют оптическую плотность исследуемого раствора (Dx). После этого в него вносят добавку исследуемого вещества (С’),  и определяют оптическую плотность полученного раствора (D’). Расчет концентрации исследуемого раствора (Сx) осуществляют по формуле:

​

​

​

​

          В случае, когда добавку вводят в виде раствора стандартного образца вещества, необходимо учитывать изменение объема исследуемого раствора.

- метод фотометрического (спектрофотометрического) титрования. Косвенным методом определения концентраций, аналогичным для фотоэлектро- и спектрофотометрии, является метод фотометрического (спектрофотометрического) титрования. Это одна из разновидностей титриметрического анализа, при котором точку эквивалентности определяют по излому на кривой титрования, построенной в координатах: оптическая плотность (D) – объем титранта (V). Поскольку этот метод менее чувствителен, чем абсолютные фотометрические методы, его применяют при определении больших количеств исследуемых веществ в пробе.

При высоких концентрациях растворов исследуемых веществ, когда оптическая плотность становится больше единицы, резко возрастает погрешность спектрофотометрических измерений

          Ее можно уменьшить при использовании метода дифференциальной спектрофотометрии. Этот метод отличается от обычной фотометрии тем, что в качестве раствора сравнения используют не растворитель или раствор «холостой» пробы, а раствор исследуемого вещества или его аналитической формы. При этом концентрация исследуемого раствора и раствора сравнения должны быть близкими. Этот метод позволяет расширить диапазон фотометрических определений.

         Экстракционно-фотометрический метод. Основан на сочетании экстракции исследуемого вещества с последующим его фотометрическим определением. Позволяет определять малые количества одних веществ в присутствии больших количеств других веществ. Этим методом часто определяют малые количества примесей, при этом не только выделяют примеси, а также концентрируют их.

 

Контрольные вопросы

​​

1. Какими способами проводят качественный анализ веществ по их спектрам поглощения?

2. На чем основано применение в анализе метода спектрофотометрии?

3. Как подбирают концентрацию раствора и толщину слоя для анализа?

4. По какой формуле проводят расчет концентрации исследуемого раствора в методе добавок?

​​