4.7 Пламенная фотометрия

Этот вид исследования применяется, главным образом, для количественного определения атомов металла в растворах по их спектральным линиям.

При определенной температуре пламени атомы переходят из энергетически более высокого состояния в низкое.

Приборы, измеряющие излучение, называются пламенными фотометрами,

Это процесс, при котором исследуется окраска пламени, вызванная излучением в результате перехода атома анализируемого вещества из энергетически более высокого состояния в низкое.

Определяемое излучение выделяется узкополосным фильтром, и с помощью оптической системы световой поток попадает на светочувствительную площадку фотоприемника (рис.  4.7).

Рис. 4.7. Направление световых потоков при пламенной фотометрии

Метод пламенной фотометрии эффективен при исследовании легковозбудимых щелочных элементов, которые могут излучать энергию при низкотемпературном пламени. Такими элементами являются литий, натрий, калий.

4.8 Атомная абсорбциометрия

Атомная абсорбциометрия, при которой исследуемый раствор, введенный в пламя горелки, поглощает световую энергию определенной длины волны, характерной для данного элемента.

При атомной абсорбциометрии происходит переход атома с более низкого на более высокий уровень.

Особенностью атомной абсорбциометрии является очень узкая полоса поглощения энергии исследуемым веществом (доли нанометра).

Для измерения такого узкополосного поглощения требуется узкополосный источник излучения, монохроматор или источник, имеющий линейчатый спектр. Например, специальная лампа, внутри баллона, которой находятся разогретые пары того самого вещества, концентрация которого определяется.

Монохроматический поток световой энергии Ф₀ на длине волны  от источника (1) (рис. 4.8) пройдя пламя горелки и пройдя узкополосный фильтр (4) поступает на фотоприемник (5).

С помощью блока (2) смесь воздуха и исследуемого раствора распыляется в горелке смесителя (3) и попадает в пламя.

Рис. 4.8 Направление световых потоков при атомной абсорбциометрии

Распыленное исследуемое вещество поглощает энергию светового потока Ф₀ на длине волны , а не поглощенная часть этой энергии, пройдя фильтр (4), поступает на фотоприемник (5). Таким образом, энергия светового потока на фотоприемнике обратно пропорциональна количеству исследуемого вещества.

Задачи узкополосного фильтра (4) пропустить поток на длине волны  и отсечь мешающие возможные потоки световой энергии на других длинах волн.

Несмотря на очень высокую избирательность и специфичность атомно-абсорбционного метода, этот метод не нашел широкого применения в медицинской лабораторной практике. Так как некоторые металлы (кальций, железо, магний) могут быть определены другими традиционными химическими методами с одной стороны, а с другой, этот вид анализа не является столь массовым, как, например, определение калия и натрия методом пламенной фотометрии.

4.9 Поляриметрический метод анализа

Если колебания световой волны совершаются в одной какой–либо плоскости, то имеет место определенная ориентация колебаний.

Световой импульс, излучаемый отдельным атомом в единственном акте излучения, всегда поляризован. Однако, источник света состоит из огромного числа таких частиц–излучателей, и пространственная ориентация оси электромагнитных волн определенных частиц ориентирована случайным образом — хаотично (исключение составляют лазеры). Поэтому в общем излучении подавляющего большинства источников векторы напряженности электрического поля E непрерывно и беспорядочно меняются. Подобное излучение называется неполяризованным или естественным.

Вектор E, как и всякий вектор, можно представить в виде суммы его проекций на двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости поперечной направлению распространения света. Разность фаз между такими проекциями у неполяризованного света непрерывно и случайным образом меняется, у поляризованного света она остается постоянной.

Поляриметрический метод анализа основан на том, что некоторые вещества, которые называются оптически активными, имеют свойства воздействовать на поляризованный свет.

При прохождении поляризованного монохроматического света через раствор оптически активных веществ, плоскость поляризации поворачивается на определенный угол.

Угол вращения плоскости поляризации пропорционален концентрации раствора. Это явление базируется на асимметричной структуре исследуемого вещества.

Добиться поляризации света можно, если использовать особый характер прохождения света через кристаллическое вещество. Например, кристалл известкового шпата пропускает световые колебания, совершающиеся только в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые соответствуют двум поляризованным лучам. Так как среда кристалла анизотропна, то скорости распространения этих лучей различны, а значит и различны их коэффициенты преломления. Это явление известно под названием двойного лучепреломления.

Из кристалла шпата изготавливают специальные призмы (призмы Николя), где на границе двух сред при определенном угле падения один луч отражается и полностью поглощается зачерненной боковой поверхностью призмы, а другой плоско-поляризованный луч проходит через призму.

Простейшими линейными поляризаторами, дающими плоско-поляризованный свет, являются либо оптически анизотропные поляризационные призмы и поляроиды, либо оптические стопы изотропных пластинок, прозрачных в нужной области спектра.

Для получения света, поляризованного по кругу, обычно применяют оптические компенсаторы: совокупность линейного поляризатора и пластинки четверть длины волны.

Для большинства поляриметров оптическая схема состоит из двух последовательно расположенных на одной оси поляризаторов. Последний называют анализатором, если их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, схема не пропускает свет. Изменение угла между этими плоскостями приводит к изменению интенсивности проходящего через систему света.

Приборы для измерения угла вращения плоскости поляризации монохроматического света в оптически активных веществах называют поляриметрами. Принцип действия прибора и направление световых потоков поясняется на рис. 4.9.

Рис.4.9 Функциональная схема поляриметра.

От полихроматического источника света (1) поток световой энергии Ф, пройдя узкополосный фильтр (2) поступает на поляризатор (3), где излучение с произвольными световыми характеристиками преобразуется в поляризованное оптическое излучение Ф_п.

Если в кювете (4) нет оптически активного раствора, поляризованный поток Ф_п, пройдя кювету без изменения, поступит в анализатор (5), который не пропускает свет, так как плоскость поляризации анализатора (5) перпендикулярна потоку Ф_п, поступающему на вход анализатора. Фотоприемник (6) не получает светового сигнала, схема (9) управления приводом не дает команды на двигатель (8) и анализатор (5) не меняет плоскость поляризации, а шкала (7) отсчета – показывает «нулевой» уровень угла поворота призмы анализатора (5).

Если в кювету (4) налить раствор с оптически активным веществом, которое изменит угол поляризации светового потока Ф'_п, анализатор (5) начинает пропускать свет, так как плоскость поляризации анализатора и плоскость поляризации света, прошедшего раствор, не стала перпендикулярной друг другу.

Фотоприемник (6) воспринимает световой сигнал и через схему (9) управления приводом запускает двигатель (8), который поворачивает призму анализатора (5) на угол, равный углу вращения поляризации оптически активного вещества, находящегося в кювете (4). После этого световой сигнал перестает поступать на фотоприемник (6), двигатель (8) останавливается, а значение угла поворота снимается со шкалы отсчета (7).

Самыми распространенными поляриметрами являются ручные поляриметры, где фотоприемником служит глаз человека, а в качестве привода используется его рука.