Лабораторная работа №9 Определение концентрации раствора оптическими методами

Задание 1. Определение концентрации сахара в растворе при помощи поляриметра»

Метод, применяемый при качественном и количественном анализе различных оптически активных веществ с помощью поляриметра называется поляриметрией. Он широко используется в медицине и биологии ( например, для определения оптической активности сывороточных белков с целью диагностики рака), в клинической практике.

Цель работы:

Изучение принципа работы поляриметра, определение удельного вращения сахара и определение неизвестной концентрации раствора сахара.

Приборы и принадлежности

поляриметр, кюветы с растворами сахара.

Подготовка к работе

Поляриметр представляет собой систему анализатор-поляризатор, между которыми помещается кювета с оптически активным веществом. Человеческий глаз лучше воспринимает относительные, чем абсолютные значения интенсивности, поэтому в этих приборах используется принцип уравнивания минимальных освещённостей поля зрения, разделённого на три части путём введения в оптическую систему прибора кварцевой пластины. Пластина занимает только среднюю часть поля зрения, таким образом поворачивая плоскость поляризации центральной части светового пучка относительно плоскости поляризатора на несколько градусов. Основные элементы оптической схемы поляриметра приведены на рис.1

Рис.1 Оптическая схема поляриметра

1-источник света, 2- поляризатор, 3- кварцевая пластинка, поворачивающая электрический вектор центральной части светового пучка, 4 – кювета с раствором, 5 - анализатор

Порядок выполнения работы

1. Вращением втулки наблюдательной трубки установите окуляр по глазу на резкое изображение линии раздела полей сравнения.

2. Вращая ручку поворота анализатора, добейтесь равенства минимальных освещенностей полей сравнения.

3. Снимите отсчет по нониусному устройству (n₀)

4. Введите в поляриметр кювету с раствором известной концентрации. При этом равенство частей поля зрения нарушается и может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации жидкостью. Если изменилась резкость картины, её можно отрегулировать окуляром. После поворота анализатора снимите соответствующие отсчёты по нониусному устройству. Каждый отсчёт снимайте не менее трёх раз. Данные занесите в таблицу измерений.

5. Введите в поляриметр последовательно кюветы с растворами остальных известных

концентраций и одной неизвестной концентрации и снимите соответствующие показания нониусной шкалы после поворота анализатора. Данные занесите в таблицу измерений

Если отсчет m₀ отличен от нуля, то заполните в таблице графу n_i – n₀ ,вычтя из каждого отсчёта нулевой n₀ . Тогда график пройдёт через начало координат.

Таблица измерений

Концентрация раствора , %	С0	С1	С2	С3	Сx
Отсчёт по шкале поляриметра n	n0	n1	n2	n3	n4 ( nx )
ni – n0	0

Обработка результатов измерений.

Обработка измерений включает в себя:

1)построение градуировочного графика ( по оси Х – концентрация раствора, по оси Y- ( n_i – n₀)

2)определение из графика неизвестной концентрации и ошибки определения этой концентрации.

Описание процедуры в конце лабораторной работы после второго задания.

Вопросы для самоподготовки:

1. Что такое поляризованный свет?

2. Способы получения пояризованного света (двойное лучепреломление, явление Брюстера).

3.Призма Николя.

4. Закон Малюса

5.Что такое оптически активные вещества?

6. Закон Био (поворот плоскости поляризации света оптически активным веществом).

7 . Как выглядит оптическая схема поляриметра?

8.С какой целью применяются поляриметры в медицине?

Задание 2 Определение показателя преломления растворов с помощью рефрактометра»

Изучение преломляющих свойств чистых веществ и растворов даёт ценную количественную информацию об их составе, концентрации и чистоте. В клинической практике представляет интерес определение как общего количества белков сыворотки крови, так и изменение в количественных соотношениях его фракций.

Цель работы

Ознакомление с принципом работы и устройством рефрактометра, определение концентрации в заданном растворе

Приборы и принадлежности

Рефрактометр, набор растворов Nacl или яичного альбумина известных и неизвестных концентраций.

Подготовка к работе

Рассмотрите рефрактометр типа РЛ. Основная деталь рефрактометра –призма- помещается в верхней части корпуса, навинченного на штатив. Она состоит их двух прямоугольных призм из тяжёлого стекла (n=1,7), сложенных гипотенузами и вмонтированных в полые кожуха, выполненные в виде полуцилиндров. Нижний из них неподвижно прикреплён к корпусу, а верхний откидывается на шарнире. Пространство между призмами заполняется исследуемой жидкостью. С левой стороны корпуса имеется отверстие, через которое на призму направляется свет от осветителя. Принцип действия прибора основан на явлении полного внутреннего отражения .

Явление полного внутреннего отражения –это следствие закона преломления света. Луч, падающий на границу раздела двух сред с разными показателями преломления n₁ и n₂ (показатель преломления среды-это отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде n= c/ v), испытывает на границе раздела отражение и преломление (Рис.1). Если n₂ < n₁ ,то при определённом угле падения α _пред (предельный угол полного внутреннего отражения) преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред (т.е.угол преломления γ =90⁰ ). При больших углах падения падающий луч будет испытывать только отражение, и во второй среде преломлённого луча не будет (Рис.2). Величину предельного угла можно найти из закона преломления

Рис.3. Оптическая схема рефрактометра.

В рефрактометре пучок световых лучей, испускаемых источником света S, направляется на грань АС призмы АВС и после преломления лучи достигают матовой грани АВ (Рис.3). После рассеяния на матовой поверхности лучи входят в жидкость и достигнут преломляющей грани ДЕ под различными углами. Наибольший из этих углов, очевидно, 90⁰, в этом случае лучи скользят вдоль грани ДЕ. После преломления эти лучи определяют границу распространения света, так как им соответствует предельный угол преломления. В окуляре прибора видно поле зрения, разделённое на две половины- светлую и тёмную. Положение границы между этими областями определяется величиной предельного угла, а, следовательно, зависит от показателя преломления жидкости. Поэтому на шкале рефрактометра, совмещённой в окуляре с полем зрения, нанесены не значения предельных углов, а прямо значения показателей преломления n.

Если пользоваться для освещения белым светом , то граница будет окрашена в разные цвета, так как показатели преломления для света различных длин волн будут различны. В этом случае добиться резкой границы можно с помощью компенсатора, расположенного слева от окуляра.

Порядок выполнения работы

1. Откиньте верхнюю призму рефрактометра и нанесите пипеткой на нижнюю призму несколько капель дистиллированной воды. Опустите призму вплотную к нижней.

2. Осветите входное отверстие, сфокусируйте окуляр зрительной трубы и добейтесь яркого освещения поля зрения.

3. Медленно передвигайте окуляр вдоль шкалы до появления в поле зрения границы свет-тень.

4. Если граница окрашена, то это нужно устранить, вращая рычажок компенсатора.

5. Одновременно в окуляр видна шкала, на которой нанесены значения показателя преломления и визирная линия. При измерениях, перемещая окуляр, добейтесь совмещения визирной линии с границей раздела и по левой шкале отсчитайте значение показателя преломления для воды и занесите в таблицу измерений

6. Аналогичным способом измерьте показатели преломления для известных и неизвестной концентраций и занесите в таблицу

7. После промера каждой концентрации призмы необходимо промывать дистиллированной водой.

Таблица измерений

Концентрация растворов, С%	С0	С1	С2	С3	С4	Сч (С5)
Показатель преломления, ni	n0	n1	n2	n3	n4	nx (n5)
ni - n0

Обработка результатов измерений.

Обработка измерений включает в себя

1)построение градуировочного графика ( по оси Х – концентрация раствора, по оси Y- ( n_i – n₀) 2)определение из графика неизвестной концентрации и ошибки определения этой концентрации.

Проведение графика по экспериментальным точкам надо произвести методом наименьших квадратов, который даёт возможность провести прямую линию так, чтобы сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от прямой была минимальной (линия регрессии). Это является оптимальным способом проведения графика. По координатам экспериментальных точек (С_i и n_i – n₀ ) определяют коэффициенты а и в прямой пропорциональной зависимости у=а+bх и затем по известному отсчёту n_х – n₀ находят неизвестную концентрацию (С_х) и ошибку её определения ΔС_x. В нашем случае прямая линия проходит через начало координат, поэтому a=0 и y=bx.Определить коэффициент b и погрешность определения неизвестной концентрации ΔС_x можно по формулам

(для задания N1 число измерений для построения градуировочного графика N=3, для задания N2 число измерений N=4. Формулы приведены для задания N1. )

Произвести эти расчеты можно, используя возможности пакета статистических программ Microsoft Excel.

1) Занести данные из таблицы измерений на 1 Лист:Столбец А-значения концентраций растворов, столбец В- значения n_i- n_{0 .}Перевести курсор на любую пустую клетку столбца С.

2) Построить график зависимости n_i- n₀ (ось Y) от концентрации (в %, ось Х)

3) Построить линию тренда (т.е.линию регрессии) и вывести уравнение регрессии на график

4) Предсказать по известным значениям X и Y неизвестную концентрацию и определить статистическую погрешность рассчитанной неизвестной концентрации.

Как это делается:

2) Щелкнув по значку «Мастер диаграмм» на панели инструментов, выбрать тип диаграммы «Точечная», вид графика – с точками. Далее: после включения кнопки «Ряд» заносим в графу «Имя» название графика (можно коротко-«Поляриметр» или «Рефрактометр), а также данные из столбца А (только известные значения концентраций растворов ) в графу «Значения Х» и данные из столбца В (соответствующие значения n_i-n₀) в графу «Значения Y». Далее: пишем название лабораторной работы («Поляриметр»или «Рефрактометр») и обозначения осей (по оси Х –концентрация растворов, по оси Y- n_i-n₀). После этого нажимаем клавишу «Готово».

3) Подвести курсор к любой точке графика и щелкнуть правой кнопкой «мыши». Точки активируются, и в появившемся меню найти опцию «Добавить линию тренда», затем выбрать тип линии тренда («линейная»). Нажав в появившейся таблице клавишу «Параметры», активировать опцию «Показывать уравнение на диаграмме». На графике появится уравнение прямой линии, описывающей зависимость n_i-n₀ от концентрации.

4) Теперь надо найти по n_х-n₀ неизвестного раствора его концентрацию (,т.е. по известному значению Y найти неизвестное значение Х ) с погрешностью, обусловленной тем , что точки не идеально ложатся на линию тренда.

Дальнейшие действия требуют предельной внимательности!

Перевести курсор на любую свободную ячейку( но не в таблице измерений, а, например, в столбце С)- здесь появится после дальнейших действий значение неизвестной концентрации

Теперь надо использовать функцию «ПРЕДСКАЗ», которую можно включить, найдя на панели инструментов значок функций f_x , затем - «статистические», затем «ПРЕДСКАЗ». Так как нам придется по функции искать аргумент (по известному отсчёту n_х – n₀ концентрацию С_x) , то в появившуюся таблицу, предназначающуюся для обратного действия (т.е. отысканию неизвестного значения функции по известному значению аргумента) придется в графу Х ставить измеренную разность n_х- n₀. В графу «Известные значения Y» вносятся номера ячеек столбца А, где записаны известные концентрации растворов . В графу «Известные значения Х» вносятся номера ячеек столбца В, где записаны n_i- n₀ для известных концентраций . После нажатия кнопки ОК в выбранной ранее ячейке появляется величина искомой концентрации раствора.

Перейти курсором на другую (пустую) ячейку в столбце С )- здесь появится после дальнейших действий значение статистическая погрешность определения неизвестной концентрации

Для нахождения статистической погрешности полученного значения ищем функцию статистической ошибки «СТОШYX»- f_x , затем- «статистические», затем «СТОШYX». В появившейся таблице в графу «Известные значения Y» вносятся номера ячеек столбца А, где записаны известные концентрации растворов . В графу «Известные значения Х» вносятся номера ячеек столбца В, где записаны n_i- n₀ для известных концентраций . После нажатия кнопки ОК в выбранной ранее ячейке появится значение ошибки, которую надо правильно округлить и записать окончательный ответ.

Вопросы для самоподготовки:

1. Что такое показатель преломления света

2.Сформулируйте законы преломления и отражения света.

3. В чём заключается явление полного внутреннего отражения света?

4. Волоконная оптика и её применение в медицине

5.Начертите ход лучей в рефрактометре. Принцип работы рефрактометра

6. С какой целью применяется рефрактометр в медико-биологических исследованиях?

Дайте теоретическое обоснование, опираясь на вопросы для самоподготовки.

Сделайте вывод: достигнута ли цель работы, какое явление наблюдали, оцените погрешность. Сравнить измеренный показатель преломления для воды со справочным значением.

Задачи:

Ремизов А.Н., Максина А.Г. Сборник задач по медицинской и биологической физике. 3-е изд., –Москва, Дрофа, 2010. №№ 5.67, 5.69, 5.89, 5.74, 5.77,5.78

Литература

Лекции

Ремизов А.Н. , Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика.- М.: Дрофа, 2005, гл 20 , § 1,2,3,4,5