Тема: Взаимодействие света с веществом.

 

Лабораторная работа 9. Определение концентрации лекарственных растворов с помощью фотоэлектроколориметра

Цель работы: 1.Изучить метод фотоколориметрического определения концентрации растворов.

2. Ознакомиться с устройством и принципом действия фотоэлектроколориметра

3. Изучить явление поглощения света веществом.

Оборудование: 1. Фотоэлектроколориметр.

2. Стандартные кюветы.

3. Водные растворы исследуемого вещества различных концентраций.

4. Дистиллированная вода.

 

Контрольные вопросы

1. Явление поглощения света веществом.

2. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

3. Коэффициент пропускания и оптическая плотность вещества.

4. Зависимость оптической плотности от природы вещества, длины волны и температуры.

5. Оптическая схема и принцип действия фотоэлектроколориметра.

6. Фотометрическое устройство фотоэлектроколориметра. Фотоэлемент. Фотодиод.

7. Фотоэлектрический эффект и его законы.

8. Методика работ на фотоэлектроколориметре.

9. Применение фотометрического анализа в медицине и биологии.

 

Литература

1. Медицинская и биологическая физика [Электронный ресурс]: учебник / Ремизов А.Н. - 4-е изд., испр. и перераб. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013.

2.  Ливенцев Н.М. Курс физики: учебник. – 7-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2014,

3. Физика и биофизика. Руководство к практическим занятиям [Электронный ресурс]: учебное пособие / Антонов В.Ф., Черныш А.М., Козлова Е.К., Коржуев А.В. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013.

Теоретические сведения  

 

В биологии и медицине для выявления химической структуры вещества, для определения концентрации растворов, используют метод спектрофотоколориметрии, в основе которого лежит способность молекул поглощать свет.

Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении его через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

Закон поглощения света в зависимости от толщины поглощающего слоя выведен Бугером и записывается в виде

где  - интенсивность света, прошедшего через вещество толщиной ;

 - интенсивность света, падающего на вещество;  - натуральный показатель поглощения, зависящий от свойств поглощающей среды.

Знак «-» означает, что интенсивность света при прохождении его через вещество уменьшается, т.е. .

Натуральный показатель поглощения  зависит от длины волны . Поэтому закон (1) целесообразно применять для монохроматического света

.

В этом случае коэффициент  называют натуральным монохроматическим показателем поглощения.

Для медицины и биологии большое значение имеет изучение поглощения света в растворах. В растворах поглощение света зависит от концентрации молекул, с которыми взаимодействуют фотоны света. Бер установил, что для растворов

где:

 - молярный показатель поглощения, т.е. показатель поглощения слоя, содержащего N_A (число Авогадро) молекул, толщиной в единицу длины при единичной концентрации;

 - концентрация растворенного вещества.

Закон поглощения света (2) с учетом зависимости от концентрации описывается законом Бугера-Ламберта-Бера

.

В лабораторной практике, закон Бугера-Ламберта-Бера (4) обычно записывают через показательную функцию с основанием 10 (система десятичных логарифмов)

,

где , т.к. .

Коэффициентом пропускания  называют отношение интенсивности света ,прошедшего через раствор, к интенсивности света , падающего на раствор

Оптической плотностью  раствора называют десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания

Подставляя (5) в (7) получаем

На основе закона Бугера-Ламберта-Бера разработан метод компенсационной колориметрии - фотометрический метод определения концентрации веществ в окрашенных растворах, с помощью которого непосредственно измеряют коэффициент пропускания   или оптическую плотность , а концентрацию растворенного вещества определяют методом построения градуировочных кривых. Приборы, используемые в концентрационной колориметрии, называются компенсационными фотоэлектроколориметрами (ФЭК)

Рис.36 Принципиальная оптическая схема фотоэлектроколориметра.

 

Свет от лампы накала 1 конденсором 2 фокусируется в плоскость диафрагмы 3, откуда с помощью объектива (линзы 4, 5) фокусируется в кюветное отделение (в плоскость, отстоящую от объектива на расстоянии 300 мм). Кювета 10 с исследуемым раствором вводится в световой поток между защитными стеклами 9 и 11. Для выделения узких участков спектра в колориметре предусмотрены цветные светофильтры 8. При работе в видимой области спектра (400-590 нм) вводятся теплозащитные светофильтры 6, чтобы исключить зависимость коэффициента поглощения от температуры. В этой области спектра интенсивность светового потока, излучаемого лампой, максимальна. Поэтому приходиться поток ослаблять, для чего вводятся нейтральные светофильтры 7.

Фотометрическое устройство включает: фотоэлемент 15, фотодиод 12, светоделительную пластину 14, светофильтр 13 и усилитель электрического сигнала (на схеме не обозначен). Фотоприемники (фотоэлемент и фотодиод) вводятся в схему в зависимости от рабочей спектральной области: фотодиод в области 590-980 нм, фотоэлемент - в области 400-590 нм. Если работа проводится в области 400-590 нм, то свет через делительную пластину 14 попадает на фотоэлемент 15, в котором в результате фотоэффекта возникает электрический ток малого напряжения, усиливаемый затем в усилителе. Если работа проводится в области 590-980 нм, то свет через делительную пластину 14 попадает на фотодиод 12, в котором тоже возникает электрический ток, усиливаемый в усилителе. Для уравновешивания фототоков, снимаемых, с фотодиода при работе с различными светофильтрами, перед фотодиодом устанавливается светофильтр 13. Усиленный фототок подается на измерительный прибор (микроамперметр), показания которого пропорциональны световому потоку, проходящему через исследуемое вещество.

На рис. 37 изображен внешний вид фотоэлектроколориметра типа КФК-2, используемого в данной лабораторной работе.

Рис. 37. Внешний вид фотоэлектроколориметра.

Обозначения, принятые на рис. 2:

1 - регистрирующий прибор с двумя шкалами: верхняя - шкала коэффициента пропускания  (0-100%), нижняя - шкала оптической плотности ;

2- светофильтры (числа черного цвета - 400-590 нм; числа красного цвета – 590-980 нм);

3 - переключатель кюветы в световом потоке;

4 - переключатель фотоприемников (фотоэлемент – цифры 1, 2, 3 красного цвета; фотодиод - цифры 1, 2, 3 черного цвета);

5 - переключатель грубой установки 100% пропускания;

5^/ - переключатель точной установки 100% пропускания;

6 - крышка кюветного отделения (при открытой крышке шторка внутри кюветного отделения автоматически закрывает окно перед фотоприемником).

Принцип действия фотоэлектроколориметра основан на сравнении фототоков, возникающих при поочередном измерении светового потока, прошедшего через растворитель, и потока света, прошедшего через раствор исследуемого вещества (компенсационный метод).

Для этого в начале измерения в световой поток помещают кювету с растворителем. Изменением чувствительности фотоприемника добиваются, чтобы коэффициент пропускания был равен 100%. Этой операцией исключается регистрация поглощения света растворителем и устанавливается световой поток интенсивностью , падающего на кювету с раствором исследуемого вещества. Затем в поток , устанавливается кювета с раствором исследуемого вещества, в котором свет частично поглощается молекулами растворенного вещества, ослабляя интенсивность потока до величины .

Световые потоки и  поочерёдно попадают на фотоприемник, создавая соответствующие фототоки, которые усиливаются и сравниваются в электрической схеме фотометрического блока.

Полученный в результате сравнения сигнал подается на регистрирующий прибор, градуированный на коэффициент пропускания (верхняя шкала) или оптическую плотность (нижняя шкала).

В данной работе измерения проводятся ввидимой области спектра, поэтому в качестве фотоприемника используется фотоэлемент, работающий в положениях "1", "2", "3", отмеченных на панели прибора черным цветом.