Методы и техническое обеспечение контроля качества
1.1 Общие сведения
Для определения концентрации вещества, его плотности и количества применяются в исследованиях физико-химические методы количественного анализа. К ним относятся фотометрические методы.
Фотометрические методы основаны на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через вещество, раствор или суспензию вещества, а также отраженного суспензией вещества.
В зависимости от длины волны, способа измерения, ширины полосы измеряемого излучения различают:
- колориметрию (измерение светового потока, прошедшего через вещество, визуальными способами);
- фотоколориметрию (измерение светового потока, прошедшего через вещество, фотоэлектрическими способами);
- нефелометрию (измерение светового потока, рассеянного веществом, визуальными способами);
- фотонефелометрию (измерение светового потока, рассеянного веществом, фотоэлектрическими способами);
- спектрофотометрию [измерение монохроматического (определенной длины волны) светового потока, прошедшего через вещество].
В зависимости от длины волны различают спектрофотометрию в следующих областях спектра:
- ультрафиолетовой (УФ),
- видимой (В),
- инфракрасной (ИК).
Любое вещество способно поглощать световые лучи определенной длины волны.
В зависимости от состава вещество может поглощать лучи в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области спектра.
Вещества, поглощающие один из участков спектра в видимой области, окрашены. Интенсивность поглощения света веществом определяется специфическими свойствами вещества, его концентрацией, толщиной слоя.
Взаимосвязь этих величин выражается основным законом фотометрии законом Бугера-Ламберта-Бера:
lg(Io/I) = KCB; D = КCB,
где Io - интенсивность падающего света;
I - интенсивность света, прошедшего через вещество;
K - специфическая физическая константа вещества;
C - концентрация вещества (в растворе);
В - толщина слоя вещества.
Величина lg(Io/I) называется оптической плотностью и обозначается буквой D. Величина К представляет собой показатель поглощения раствора, концентрация которого равна единице.
Если концентрация раствора выражается в единицах молярности, то К показатель поглощения одномолярного раствора вещества при толщине слоя 1 см, то есть молярный показатель поглощения или экстинкция (лат. еxtinction «гашение» - ослабление световых потоков, проходящих сквозь какую-либо среду, вызванное процессами поглощения и рассеяния), обозначаемая буквой Е.
При обозначении концентрации раствора в процентах К - показатель поглощения раствора, содержащего 1 г вещества в 100 мл при толщине слоя 1 см, или удельный показатель поглощения, обозначается буквой .
Закон Бугера-Ламберта-Бера лежит в основе всех расчетов в методах фотометрического анализа.
1.2 Фотометры. Фотометр ЛМФ-72М
Для измерения коэффициента пропускания и оптической плотности в спектральном диапазоне 365 - 750 нм применяется отечественный фотометр ЛМФ-72М настольного типа, на примере которого можно описать принцип метода. Прибор действует по однолучевой двухканальной оптической схеме с модуляцией светового потока. Оптическая схема прибора показана на рисунке 1.
Рассеянный свет или излучение люминесценции попадает на фотоумножитель, с помощью которого световой поток преобразуется в пропорциональный ему электрический сигнал переменного тока. Электрическая схема фотометра состоит из источника света, модулятора; двух светоприемников; силового и электронного блоков.
Пределы измерений: по коэффициенту пропускания 0…100 % (цена деления 1%), по оптической плотности 0…1 ед. оптической плотности (цена деления 0,005).
1 - лампа накаливания; 2 - конденсор; 3 - объектив; 4 - диафрагма; 5 - модулятор; 6 - фильтр; 7 - светофильтр; 8 - фотоумножитель; 9 - защитное стекло; 10 - светофильтр; 11, 12 - кюветы; 13 - защитное стекло; 14 - фотоумножитель
Рисунок 1 - Оптическая схема фотометра ЛТФ-72-М
Питание данного прибора от сети 220 В, 50 Гц. Потребляемая мощность до 100 В·А. Габаритные размеры 500х260х485 мм. Масса до 20 кг.
1.3 Фотометр ФМ-56
На принципе изменения светового потока с помощью диафрагмы основана и работа визуальных фотометров ФМ-56 и ФМС-56. В фотометрах используются две кюветы или два стаканчика (рис. 2).
В один из них наливают анализируемый раствор, в другой - раствор сравнения.
1 - лампа; 2, 4 - зеркало; 3, 7 - конденсор; 5 - кювета; 6 - диафрагма; 8 - призма; 9 - окуляр.
Рисунок 2 - Фотометр ФМ-56
Раствор сравнения представляет собой чистый растворитель или раствор реактивов, не содержащий определяемого вещества. Интенсивность световых потоков уравнивают с помощью диафрагмы, связанной с отсчетным барабаном.
По числу делений отсчетного барабана определяют концентрацию раствора. При расчетах используют калибровочные графики.
На рисунке 3 представлен спектрофотометр Волошаненко Г.П., Сапронов А.Р. Справочник для работников лабораторий сахарных заводов. - М.: Агропромиздат, 1985.- С. 40-41, состоящий из барабана длин волн 1, зеркал 2 и 5, призмы 3, лампы 4, щели 6, барабана для щели 7, кюветы 8, фотоэлемента 9, делителя 10, отсчетного барабана 11 и стабилизатора 12.
Рисунок 3 - Спектрофотометр
В аналитической практике используют несколько марок фотоколориметров: ФЭК-М, ФЭК-56М, ФЭК-Н- 57, ФЭК-60 и другие. Фотоколориметры работают в видимой области спектра (400 - 650 нм), некоторые марки - в видимой и ультрафиолетовой областях (313-630 нм).
При измерении оптической плотности сначала подбирают светофильтр, при котором оптическая плотность раствора максимальна.
Для определения концентрации элементов в жидких пробах продуктов применяется отечественный атомно-абсорбционный спектрофотометр С-115 с спектральным диапазоном 190…860 нм.
Из зарубежных спектрофотометров для исследования в ультрафиолетовом и видимом свете применяют прибор ДУ фирмы Becman (Австрия) с микрокомпьютером. Спектральный диапазон 140…900 нм.
Для исследований в инфракрасной области спектра этой же фирмой поставляются спектрофотометры серии ФТ и атомно-абсорбционные спектрофотометры серии СПЭН.
Атомно-абсорбционные спектрофотометры выпускаются и фирмой Perkin-Elmer (Англия) и имеют спектральный диапазон 190 - 870 нм.
Спектрофотометрические и фотоэлектроколориметрические методы анализа основаны на одних и тех же законах поглощения света исследуемым веществом. В ряде случаев эти виды анализа в той или иной степени взаимозаменимы.
2. Метод кислотно-основного титрования