Важной задачей подготовки медицинских физиков считается разработка актуального физического практикума, нацеленного на изучение медицинских оптических методов. Кроме того, использование разных датчиков при выполнении лабораторных работ также обеспечивает формирование системы практических умений по использованию современных научных технологий для решения широкого спектра задач в области эксплуатации медицинского оборудования и аппаратуры [1].
Актуальность работы: В клинической лабораторной диагностике обширное использование нашли фотометрические методы количественного анализа, базирующиеся на переведении определяемых компонентов в поглощающие свет соединения с дальнейшим определением их количеств путем измерения светопоглощения растворов. [2]
Если измерение проводится в отсутствии выделения узкого диапазона длин волн, то есть измеряются характеристики всего светового потока, в таком случае данный способ анализа именуется колориметрическим. В случае фотометрического способа выделяют установленный для поглощения данным веществом оптический диапазон и выполняют измерения на определенной длине волны. Фотометрический метод считается наиболее объективным способом, нежели колориметрический, так как результаты его находятся в меньшей зависимости от поглощения света иными (интерферирующими) окрашенными веществами. [3] Фотометрический анализ применяют с целью определения основных компонентов различных сложных веществ и для определения микропримесей в объектах. Фотометрические методы используются также в случаях, если изучается способность веществ рассеивать (нефелометрия) и пропускать излучение (турбидиметрия), переизлучать поглощенное излучение (флуориметрия), менять степень поляризации излучения при прохождении его сквозь оптически активные вещества (поляриметрия).
Эти оптические методы используются с целью изучения состояния биологических систем и их изменения в процессах ассоциации-диссоциации, взаимодействия с иными молекулами, образования и распада комплексов фермент-субстрат, антигенантитело, белок-липид, белок-нуклеиновая кислота; фотофизических и фотохимических процессов и т.д. Большая чувствительность датчиков, их точность, темп обработки сигнала и удобство применения с целью лабораторных исследований предопределяют широкое применение оптических методов в клинической лабораторной диагностике.[4] Согласно этому в процессе подготовки медицинских физиков немаловажно применять датчики оптической плотности, предназначеные в целях измерения оптической плотности и коэффициентов пропускания жидкостей и жидкостных растворов. Датчики также можно применять для определения концентрации веществ в растворах, к примеру, при выполнении лабораторной работы «Определение концентраций растворенных веществ в двухкомпонентном растворе методом спектрофотоколориметрии». Применение таких датчиков повышает наглядность и точность экспериментов, а самое главное, дает возможность следить за изменением параметров на экране компьютера в виде графиков и таблиц.
Исследование датчиков и регуляторов температуры
... Ключевые слова: датчик, температура, регулятор, напряжение, ток, защита. Данный дипломный проект, при исследовании датчиков и регуляторов температуры, рассматриваются следующие задачи: выбора оборудования для лабораторной установки, ... параметра стенда 7. Вычисление погрешностей и определение пригодности приборов к эксплуатации 8. Лабораторная установка 8.1 Ход работы 8.2 Производство опыта 8.3 Опыт ...
Объектом исследования является спектрофотоколориметрия.
Предмет исследования: определение концентраций растворенных веществ в двухкомпонентных растворах.
Целью данной работы является разработка лабораторной работы «Определение концентраций растворенных веществ в двухкомпонентном растворе методом спектрофотоколориметрии».
При этом ставятся следующие задачи:
- Провести анализ литературы по тематике работы;
- Изучить устройство и принцип работы оборудования;
- Изучить и освоить методику проведения спектроыотоколориметрических измерений и обработки данных;
- Провести измерения оптической плотности однокомпонентных и двухкомпонентных окрашенных растворов;
- Отработать методику определения концентрации растворенных веществ в двухкомпонентных окрашенных растворах.
В работе были использованы следующие методы исследования:
- Анализ литературных источников по проблеме;
- Изучение устройства и принципа работы спектрофотометра;
- Проведение измерений оптической плотности окрашенных растворов при помощи спектрофотоколориметра;
- Проведение измерений концентраций растворенных компонентов в двухкомпонентных окрашенных растворах при помощи спектрофотоколориметра;
- Обработка и анализ полученных данных.
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/diplomnaya/izmerenie-kontsentratsii-rastvorov/
Глава 1 Оптические методы исследования
1.1 Спектрофотометрия
Спектрофотометрия – это инструмент, обусловливаемый количественным анализом молекул в зависимости от того, какое количество света поглощается цветными соединениями. Спектрофотометрия применяет фотометры, называющиеся — спектрофотометры, которые могут определять интенсивность светового пучка в зависимости от его цвета (длины волны).
Значимыми отличительными чертами спектрофотометров считаются спектральная ширина полосы пропускания (диапазон цветов, которые он способен передавать через образец), процент пробы-передачи, логарифмический диапазон поглощения образца, а в некоторых случаях и процент измерения отражения.[6]
Спектрофотометр как правило применяется с целью измерения коэффициента пропускания или отражения растворов, прозрачных или непрозрачных твердых веществ, таких как полированное стекло или газы. Несмотря на то, что многие биохимические вещества окрашены в цвет, они поглощают видимый свет и по этой причине могут быть измерены колориметрическими процедурами, в том числе и бесцветные биохимические вещества могут нередко преобразовываться в окрашенные соединения, оптимальные для хромогенных цветообразующих реакций, для получения соединений, пригодных для колориметрического анализа. Тем не менее, они также могут подойти для замера коэффициента диффузии в каждом из упомянутых диапазонов освещенности, которые как правило покрывают приблизительно 200 нм – 2500 нм, применяя разнообразные средства управления и калибровки. В данных диапазонах света на машине необходимы калибровки с применением стандартов, которые различаются по типу в зависимости от длины волны фотометрического определения.[7]
Метрология, физические величины и шкалы измерений
... и нашатыря). 4. шкала отношений (подобия): в этой шкале существует однозначный естественный ноль и единица измерения. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным ... определяются независимо от других величин. В системе СИ это - длина, время, масса, температура, сила тока, сила света, количество вещества. производные (условно зависимые): мощность, сопротивление, ...
Примером эксперимента, где применяется спектрофотометрия, представляет собой определение константы равновесия решения. Конкретная химическая реакция в растворе может происходить в прямом и обратном направлениях, когда реагенты формируют продукты и продукты, разлагающиеся на реагенты. В некоторый момент данная химическая реакция достигнет точки равновесия, называющейся точкой равновесия.[8] Для того чтобы установить соответствующие концентрации реагентов и продуктов в данный момент, светопроницаемость раствора может быть найдена с применением спектрофотометрии. Количество света, проходящего сквозь раствор, указывает на концентрацию конкретных химических веществ, которые не пропускают свет.
Поглощение света связано с взаимодействием света с электронным и колебательным модами молекул. Всякий тип молекулы обладает индивидуальным набором уровней энергии, связанных с составом его химических связей и ядер, и таким образом поглощает свет определенных длин волн или энергий, что приводит к оригинальным спектральным свойствам. [7]Это основано на его своеобразном и отличном составе.
Применение спектрофотометров включает разнообразные научные сферы, такие как физика, материаловедение, химия, биохимия и молекулярная биология. Они широко применяются во многих отраслях промышленности, включая полупроводники, лазерное и оптическое производство, судебно-медицинскую экспертизу и печать, а также в лабораториях по исследованию химических веществ. Спектрофотометрия зачастую применяется для измерения активности ферментов, определения концентраций белка, нахождения ферментативных кинетических констант и измерений реакций связывания лиганда. В итоге, спектрофотометр способен устанавливать, в зависимости от контроля или калибровки, вещества, содержащиеся в мишени, и их количество, через расчеты наблюдаемых длин волн.
В астрономии термин спектрофотометрия относится к измерению спектра небесного объекта, в котором шкала потока спектра калибруется как функция длины волны, обычно по сравнению с наблюдением спектрофотометрической стандартной звезды, и корректируется с целью поглощения света земной атмосферой.
К 1940 г. на рынке появилось некоторое количество спектрофотометров, однако ранние модификации никак не могли работать в ультрафиолете. Арнольд О. Бекман разработал усовершенствованную версию в Национальной технической лаборатории компании, позже Beckman Instrument Company и, в итоге, Beckman Coulter. Были изобретены модификации A, B и C (существовали 3 подмодификации C), позже модель D, ставшая позднее DU. Вся электроника находилась в корпусе устройства, в состав которой входила новая водородная лампа с ультрафиолетовым континуумом и лучший монохроматор. Данный прибор создавался с 1941 по 1976 год, по существу, с той же конструкцией; было реализовано более 30 000 экземпляров. Стоимость в те годы составляла 723 доллара США (дополнительные приспособления для ультрафиолетовых лучей были опцией за доплату).
Свет. Основные светотехнические величины и единицы
... волны, их свойства различны и поэтому различают: волны на поверхности жидкости; – упругие волны (звук, сейсмические волны); объёмные волны (распространяющиеся в толще среды); электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи); гравитационные волны; волны ... переноса энергии, а абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, ...
Лауреат Нобелевской премии по химии Брюс Меррифилд сказал, что это «возможно, самый важный инструмент, когда-либо созданный для развития бионауки».
Есть два ключевых класса устройств: однолучевое и двухлучевое. Двухлучевой спектрофотометр сопоставляет интенсивность света между двумя световыми путями, один путь включает эталонный образец, а другой – тестовый образец. Однолучевой спектрофотометр измеряет относительную интенсивность света пучка до и после установки тестового образца. Несмотря на то, что сравнительные замеры из двухлучевых приборов легче и стабильнее, однолучевое оборудование может обладать более широким динамическим диапазоном и оптически проще и компактнее.[8] Помимо этого, определенные специализированные приборы, такие как спектрофотометры, интегрированные в микроскопы или телескопы, являются однолучевыми приборами из-за практичности.
Исторически спектрофотометры прнименяют монохроматор, с имеющейся в нем дифракционной решеткой, с целью получения аналитического спектра. Решетка может быть передвижной или зафиксированной. В случае, если применяется один детектор, такой как фотоумножитель либо фотодиод, есть возможность поэтапного сканирования решетки, для возможности измерения детектором интенсивности света на каждой длине волны (что будет соответствовать каждому «шагу»).
Кроме того могут применяться массивы детекторов, такие как приборы с зарядовой связью (ПЗС) либо фотодиодные массивы (PDA).
В подобных системах решетка зафиксирована, а интенсивность каждой длины волны света измеряется иным детектором в массиве. Помимо этого, большая часть современных спектрофотометров средней ИК области применяют метод преобразования Фурье с целью получения спектральной информации. Данный способ называется ИК-спектроскопией с преобразованием Фурье.
При проведении замеров передачи спектрофотометр количественно сравнивает долю света, что проходит через эталонный раствор и тестовый раствор, далее электронным образом сравнивает интенсивности двух сигналов и находит процент передачи образца по сравнению с эталоном. С целью замеров отражающей возможности микроспектрофотометр численно сопоставляет часть освещение, что отображается с эталонного и тестового образцов.[9] Свет с источника лампы пропускается через монохроматор, что дифрагирует его (свет) вплоть до «радуги» длин волн через вращающуюся призму и выводит узкие полосы пропускания данного дифрагированного спектра через механическую щель на выходящий стороне монохроматора. Данные полосы пропускания передаются сквозь тестовый образец. В таком случае плотность потока фотонов (Вт/м^2) передаваемого либо отраженного света измеряется с помощью фотодиода, ПЗС либо иного светочувствительного датчика. Далее коэффициент пропускания либо коэффициент отражения для каждой длины волны тестируемого образца сопоставляют со значениями передачи либо отражения от эталонного образца. Большая часть приборов будут использовать логарифмическую функцию к коэффициенту линейного коэффициента пропускания для расчета «впитывающей способности» образца, величина которого пропорциональна «концентрации» измеряемого химического вещества.
В общем, очередность событий в современном спектрофотометре представляется следующим:
Спектры и спектральный анализ в физике
... свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения. Спектральный анализ. Линейчатые спектры ...
Фракции падающих длин волн передаются сквозь образец либо ссылку на него или отражаются.
Полученный свет поступает в фотоприемный прибор, сопоставляющий относительную интенсивность двух лучей.
Электро-схемы преобразуют относительные токи в проценты линейной передачи и / или значения поглощения / концентрации.
Многие прежние спектрофотометры должны быть откалиброваны с помощью процедуры, называемой «обнуление», для уравновешивания нулевого тока двух лучей на детекторе. Передача эталонного вещества вводится как базовое (исходное) значение, по этой причине передача всех иных веществ фиксируется относительно начального «обнуленного» вещества. Далее спектрофотометр преобразует передаточное отношение в «поглощаемость», концентрацию определенных компонентов испытуемого образца относительно начального вещества.
Спектрофотометрия – значимый метод, который используется во множестве биохимических экспериментов, содержащих выделение ДНК, РНК и белка, кинетику ферментов и биохимические анализы.[8] Сокращенное описание процедуры спектрофотометрии содержит в себе сопоставление впитывающей способности эталона, который не содержит окрашенного соединения к тестовому образцу, содержащему окрашенное соединение. Данная окраска может быть результатом добавления красителя,либо ферментативной реакцией, наблюдаемой между галактозидазой и ONPG. Спектрофотометр применяется с целью замера цветных соединений в видимой области света (от 350 до 800 нм), по этой причине его возможно применять с целью поиска дополнительной информации о исследуемом веществе. В биохимических экспериментах выбирается химическое и / или физическое свойство, и используемая процедура специфична для этого свойства, для получения болшего объема данных о пробе, к примеру количество, чистоту, активность фермента и т. Д. Возможно применять спектрофотометрию для ряда методов, например нахождение пригодной длины волны поглощения образцов, нахождение подходящего рН для поглощения образцов, нахождение концентраций неизвестных образцов и нахождение pKa разных образцов. Спектрофотометрия помимо прочего считается подходящим процессом для очистки белка и также может применяться в качестве метода формирования оптических анализов соединения. Спектрофотометрические данные также возможно применять в совмещении с уравнением Беер-Ламберта, A = -log10T = cl = OD, для установления различных зависимостей между коэффициентом пропускания и концентрацией, а также поглощением и концентрацией. Так как спектрофотометр измеряет длину волны соединения по его цвету, может быть добавлен связующий краситель, для того чтобы оно могло подвергаться изменению цвета и измеряться. Возможно определить концентрации двухкомпонентной смеси, используя спектры поглощения эталонных растворов каждого компонента. Для этого следует знать коэффициент экстинкции данной смеси при двух длинах волн и коэффициенты экстинкции растворов, которые включают известные веса двух компонентов.[9] Спектрофотометры были изобретены и модернизированы в течение десятков лет и обширно применяются естественно-научной среде. Помимо этого, Спектрофотометры специализируются для измерения значений поглощения УФ либо видимой световой волны. Он является прибором, который очень чувствителен и по этой причине чрезвычайно точен, преимущественно при определении изменения цвета. Данный способ также пригоден для применения в лабораторных экспериментах, вследствие того что он считается недорогим и сравнительно несложным процессом. УФ-видимая спектрофотометрия.
Применение спектрального анализа. Спектральный анализ, его виды ...
... спектрального анализа, обеспечивающий точное и быстрое изучение химии материалов. Фантастика света Природа спектрального анализа (спектроскопия ) изучает химический состав веществ на основе их способностей по испусканию и поглощению света. ... волн для исследования спектра, а также саму область спектра. Химический состав вещества – важнейшая характеристика используемых человечеством материалов. Без ...
Значительная часть спектрофотометров применяется в УФ и видимых областях спектра, а отдельные из данных приборов кроме того действуют и в ближней ИК-области. Концентрацию белка можно оценить методом измерения OD на 280 нм из-за наличия триптофана, тирозина и фенилаланина. Данный способ не сильно точен, так как состав белков сильно различается, и есть белки, у которых ни одна из данных аминокислот не содержит наибольшего поглощения при 280 нм. Загрязнение нуклеиновой кислоты тоже способно препятствовать анализу. Для данного способа необходим спектрофотометр, измеряющий в УФ области кварцевыми кюветами.[13]
Ультрафиолетовая видимая (УФ-видимость) спектроскопия содержит уровни энергии, которые возбуждают электронные переходы. Поглощение ультрафиолетового света возбуждает молекулы, пребывающие в основном состоянии, в их возбужденные состояния. Видимая область 400-700 нм спектрофотометрия обширно применяется в науке о колориметрии. Производители чернил OD, полиграфических фирм, заготовщики текстиля и множества иных, имеют необходимость в данной информации, предоставляемой с помощью колориметрии.[10] Они считывают показания в области каждых 5-20 нанометров по видимой области и формируют кривую спектрального отражения либо поток данных с целью иных презентаций. Данные кривые возможно применять с целью проверки новой партии красителя, для того чтобы проконтролировать, отвечает ли она спецификациям, к примеру стандартам ISO-печати.
Классические спектрофотометры видимой области не в состоянии выявить, обладает ли краситель или базовый материал флуоресценцией. Это способно усложнить регулирование проблемами цвета, в случае если, одна либо несколько печатающих чернил флуоресцентны. Если краситель включает флуоресценцию, применяется двухспектральный флуоресцентный спектрофотометр. Есть пара основных установок для спектрофотометров зрительного спектра, d/8 (сферическая) и 0/45. Названия связаны с геометрией источника света, наблюдателя и внутренней составляющей измерительной камеры. Ученые применяют данный прибор с целью замера числа соединений в образце. В случае если соединение станет более концентрированным, свет станет поглощаться образцом; в малых пределах работает закон Бера-Ламберта, а поглощение между образцами имеет линейный характер изменения. В случае типографской системы измерений как правило применяются две альтернативные настройки – без фильтра и с фильтром uv, для того чтобы правильнее осуществлять контроль результата отбеливателей uv в бумажной массе.[9]
Образцы чаще всего приготовляют в кюветах; в зависимости от интересующей области они могут быть произведены из стекла, пластика (заслуживающая внимания область видимого спектра) либо кварца (заслуживающая внимания область дальнего ультрафиолетового спектра).
1.2 Фотоколориметрия
Фотоколориметрия – нахождение количества вещества через перевод определяемого компонента с помощью реактива в растворимое окрашенное соединение и определение светопоглощения полученного раствора фотоэлектрическим колориметром в узких интервалах видимой области спектра.[15]Зависимость между коэффициентом пропускания раствора и его концентрацией можно выразить законом Бугера – Ламберта – Бера
–
I = I0 , (1) где I0 — интенсивность света, падающего на образец; I — интенсивность света, выходящего из образца толщиной L. Величина Kn здесь называется натуральным коэффициентом поглощения. Он зависит от сорта вещества в образце и длины волны света, а в случае раствора − и от его концентрации.
Атомно-абсорбционный анализ
... Атомно-абсорбционный анализ Атомно-абсорбционный анализ (атомно-абсорбц. спектрометрия), метод количественного элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции). Через слой атомных паров пробы, получаемых с помощью атомизатора, пропускают излучение в диапазоне 190-850 нм. В результате поглощения ... устройство, применяют двухлучевую схему или оптич. схему с двумя источниками света ... растворы ...
Для растворов не очень высокой концентрации натуральный коэффициент поглощения (Kn) оказывается прямо пропорциональным концентрации раствора (С):
Kn = Km C , (2) где Km – молярный коэффициент поглощения. Соотношение (2) иногда именуют законом Бера.
Следствием (1) и (2) является закон Бугера-Ламберта-Бера, описывающий поглощение света в растворах:
I = I0 (3) Формулу (3) на практике часто применяют в другом виде:
–
I = I0 . (4)
В этом случае молярным коэффициентом поглощения обычно считают величину 0,43 Km .
Для описания поглощения света в растворах используются две специальные величины.
1) Коэффициент пропускания – это отношение интенсивности света, прошедшего через раствор, к его начальной интенсивности:
T = I / I0 . (5)
Образно говоря, Т – доля прошедшего через раствор света.
2) Оптическая плотность раствора – это логарифмическая величина, характеризующая, наоборот, степень поглощения света в растворе:
D = lg (I0 / I) . (6)
Из формул (4) и (6) следует важное соотношение:
D = 0,43 KmLC , (7) которое лежит в основе фотоколориметрических исследований растворов.[15]
При соблюдении этого закона между концентрацией окрашенного раствора и его оптической плотностью имеется прямолинейная зависимость, которая и используется при количественных определениях.
Приемлемое значение оптической плотности, обеспечивающее максимальную точность измерений, равно 0,43, наибольшее и наименьшее значения l равны соответственно 2,00 и 0,01.
Из-за того, что светопоглощения находится в зависимости от длины волны поглощаемого света, измерения оптической плотности растворов совершают в той зоне спектра, в которой прослеживается наибольшее поглощение света определяемым веществом. Это гарантирует максимальную достоверность и чувствительность определения.[10] С целью выделения из смешанного (белого) света лучей, максимально поглощающиеся рассматриваемым окрашенным раствором, используют светофильтры, пропускающие главным образом лучи только необходимого зоны спектра. Интервал длин волн, пропускаемый светофильтром, колеблется с 20-40 вплоть до 100 нм. Эти аппараты считаются довольно несложными и называются фотоэлектроколориметры.
В фотометрическом анализе ключевой ролью обладает химическая реакция, с помощью которой химический элемент переводится в форму окрашенного соединения. Восприимчивость к поглощению света связана с электронным строением атомов либо молекул.[11] В фотометрии применяют два типа поглощающих свет соединений:
·- соединения, у которых хромофорными качествами владеет ион определяемого элемента,
·- соединения, хромофорные качества которых связаны с реагентом (лигандом).
Хромофорными качествами владеет большая часть переходных элементов, имеющие незанятые электронами d-орбитали. В случае если каждый d-электрон валентен, то в таком случае окрашенными могут являться даже элементарные соединения переходных элементов
Переходные элементы смогут формировать окрашенные соединения с бесцветными реагентами, не включающими хромофорных групп.
Теоретические аспекты уплотнения мелкозернистых бетонных смесей ...
... работы Получение качественного и экономически выгодного продукта — мелкоштучных бетонных изделий произведенных по технологии вибропрессования мелкозернистых жестких бетонных смесей делится на два направления: подбор бетонной смеси ... и 23 рисунка, список литературы из 60 наименований. На защиту выносятся Результаты экспериментальных исследований поведения мелкозернистой бетонной смеси под действием ...
Например, Сульфосалициловая кислота сформирует окрашенные комплексные соединения с Ре3+.
Однако своим поглощением в растворах в видимой диапазоне владеет незначительный набор простых соединений, по этой причине в фотометрии в большей степени применяются разнообразные химические реакции, приводящие к формированию веществ, поглощающих излучения видимого диапазона.[12] Чаще всего данные реакции комплексообразования, продукты реакций окисления – восстановления, азосочетания и прочие.
Кроме этого, поглощение ультрафиолетового либо видимого света определяется
— или хромофором — функциональной группой, поглощающей свет, к примеру, группой с кратной связью С=С, С=О,и N=0, или ауксохромом функциональной группой, что связана с хромофором и меняет положение и интенсивность полосы поглощения, к примеру, группа с неподеленной электронной парой ОН, NН2 /
Все окрашенные соединения обязаны удовлетворять следующим основным требованиям:
1. Довольно высокая прочность (малая диссоциация) в гидрофитных растворах. В случае если применяют заметно диссоциирующие окрашенные соединения, то с целью снижения их диссоциации используют органические растворители, смешивающиеся с водой (спирты, ацетон, диоксан и др.), и включат стационарный избыток реактива.
2. Необходимая устойчивость окраски в течение времени (не менее 1015 минут)[11] Высокое значение величины молярного коэффициента поглощения . Для веществ с большим светопоглощением величина достигает 1,0·105 – 1,5·105, для веществ с низкой светопоглощающей способностью 4,0·102 – 5,0·102.
Концентрацию раствора устанавливают разными способами.
По методу сравнения измеряют оптические плотности эталонного и исследуемого окрашенных растворов (Dст. и Dх); искомую концентрацию рассчитывают по формуле:
Сх= Сст.·Dx/ Dст. (8) где Сст – концентрация эталонного раствора. Метод используют при стандартных определениях.
Метод калибровочного графика (калибровочной кривой).
Согласно серии эталонных окрашенных растворов, включающих область определяемой концентрации, строят калибровочный график зависимости оптической плотности раствора от его концентрации.[12] Далее находят оптическую плотность исследуемого раствора и согласно градуировочного графика определют искомую концентрацию. Способ используют при многократных, серийных анализах.
По методу добавок измеряют оптическую плотность исследуемого окрашенного раствора, далее оптическую плотность этого же раствора с известной добавкой определяемого компонента (Dx+доб.) и рассчитывают
концентрацию вещества согласно формуле:
Сх= Сдоб.·Dx(Dx+доб.- Dx) (9)
где Сдоб. – концентрация добавки в пересчёте на весь объём раствора.
Чувствительность определения в фотоколориметрическом анализе равна 1·10-7 г- моль/л. Применяют для определения малых количеств вещества 1·10-4 — 1·10-7 %. Относительная ошибка ± 0,5 – 2,0 %.
1.3 Фотоколориметрический метод
Фотоколориметрический метод нашел более обширное применение при разработке устройств, предназначенных в целях определения микроконцентраций токсичных веществ в воздухе.
Проектирование предприятия по производству сухих строительных смесей
1.1- Номенклатура выпускаемой продукции № Обозначение растворной сухой строительной смеси Фасовка Для кладки ячеистобетонных блоков 1 РСС ... 40(25) 11 РСС монтажная, цементная, М150 F75 40(25) Клеевые смеси 12 РСС для облицовочных наружных и внутренних работ, цементная, ... А0.8 Пк3 № 508 СТБ 1307-2002 40(25) Модифицированные штукатурные смеси 23 РСС штукатурная (менее 5 мм), цементно-известковая М50 А0.5 ...
В устройствах, основанных на фотоколориметрическом методе анализа, применяется цветная избирательная реакция между индикатором в растворе либо на ленте и компонентом газовоздушной смеси, концентрация которого определяется.[13] При этом критерием концентрации определяемого компонента считается интенсивность окраски возникающая в результате реакции комплексов.
Преимущества фотоколориметрического метода анализа — большая чувствительность, селективность и универсальность. Большая чувствительность метода определена возможностью накапливать окрашенный продукт химического взаимодействия в растворе либо на ленте. Чувствительность метода стремительно опускается при измерении концентраций в несколько объемных процентов и выше.
Избирательность фотоколориметрического метода поясняется тем, что с целью существенного количества определяемых газов и паров, при известном составе неопределяемых компонентов смеси, могут быть подобраны специфические цветные реакции.
Список веществ, определяемых данным методом, весьма велик, и поэтому фотоколориметрические газоанализаторы относятся к наиболее универсальным устройствам. [14]Практически при выявлении возможности использования фотоколориметрических газоанализаторов с целью установления различных веществ основным считается подбор подходящего реактива, предоставляющего специфическую цветную реакцию с определяемым компонентом и выбор режима работы устройства.
Существует два вида фотоколориметрических газоанализаторов, принципиально непохожих по конструктивному исполнению и по принципу воздействия.
В одних газоанализаторах, именуемых фотоколориметрическими жидкостными, реакция проходит в растворе, а концентрация определяемого компонента определяет по светопоглощению раствора.[13] Плюсом устройств данного типа считается наиболее высокая точность измерения (основная приведенная погрешность примерно 5%) и возможность использования индикаторных растворов, в состав которых входят концентрированные кислоты, что преимущественно важно для анализа микроконцентраций веществ, химически малоактивных при обычных условиях (углеводороды, терпены и некоторые прочие органические продукты).[14]
Основным минусом жидкостных фотоколориметрических газоанализаторов, затрудняющим их эксплуатацию в производственных условиях, считается сложность и громоздкость конструкции, вызванная наличием ряда механических устройств (насосы, дозаторы раствора, двигатели, клапаны, переключатели и т. п.), которые обеспечивают движение и взаимодействие участвующих в реакции компонентов (газ — жидкость).
Данный недостаток предопределил ограниченность разработки и использования жидкостных газоанализаторов.
Вплоть до настоящего времени отсутствует подходящей модификации довольно простого, надежного и недорогого газожидкостного устройства, которое бы выпускалось серийно отечественной приборостроительной индустрией. В литературе можно столкнуться с описанием лишь некоторых установок жидкостных фотоколориметров, специализированных ради определения микроконцентраций окислов азота (ФК4501, ФК.4502 и др.), сероводорода (ФК5601) и иных газов.[15] Создание данных устройств завершилась выпуском опытных образцов, не доведенных до серийного производства, либо малосерийным выпуском спецназначения. Все равно совершенные устройства жидкостных фотоколориметрических газоанализаторов необходимы, так как в силу специфики применяемого метода они позволили бы расширение области применения данных устройств на большое количество органических веществ, которые не определяются с помощью иного типа устройств.
В газоанализаторах, именуемых фотоколориметрическими ленточными, реакция протекает на слое текстильной либо бумажной ленты, а концентрация определяемого компонента находится по ослаблению светового потока, отраженного от участка ленты-индикатора, изменившей свою окраску в результате химического взаимодействия с определяемым компонентом.
В зависимости от физико-химических свойств индикатора-реактива он может наноситься на ленту — основу или предварительно, в процессе ее специальной обработки (сухая лента-индикатор), или прямо перед ее фотоколориметрированием (мокрая лента-индикатор).
Использование индикаторной ленты, в особенности сухой, дает возможность упростить конструкцию устройств, минимизировать их габариты и вес, ликвидировать хрупкие элементы и тем самым увеличить эксплуатационную надежность приборов.[14]
Помимо того, ленточные фотоколориметрические газоанализаторы владеют значительно большей чувствительностью по сравнению с жидкостными устройствами. Таким образом, к примеру, порог чувствительности ленточных и жидкостных газоанализаторов составляет соответственно по сероводороду 0,0002 и 0,02 мг/л, по двуокиси азота 0,001 и 0,01 мг/л.
Существенным минусом ленточных газоанализаторов считается высокая погрешность измерения, которая обусловлена в основном неоднородностью используемого материала ленты и ее пропитки, а также погрешностью контрольного химического анализа при калибровке устройства[15]
Однако если учесть плюсы ленточных фотоколориметрических газоанализаторов и то обстоятельство, что при контроле чистоты воздуха производственных помещений допускается относительно высокая погрешность измерения, то можно считать полностью целесообразным преимущественную разработку и применение данных устройств для индикации и сигнализации предельно допустимых концентраций токсических газов и паров в воздухе производственных помещений.
За последние 10-15 лет ленточные фотоколориметрические газоанализаторы обрели заметное становление.
Первые приборы данного типа были основаны на использовании ленты-индикатора, смачиваемой из капельницы прямо перед проведением опыта (ФЛ6801, ФКГ-3 и др.).
В последующем измерительные схемы данных устройств были усовершенствованы, расширилась область использования производимых модификаций и созданы универсальные ленточные фотоколориметры, применяемые с целью измерения малых концентраций различных газов и паров в воздухе[16].
Одной из последних конструкций приборов с мокрой лентойиндикатором считается универсальный фотоколориметрический газоанализатор ФЛ5501. Применение в этом устройстве двухфотоэлементной измерительной схемы с электрической компенсацией (взамен оптической) разрешило проблему усложнения конструкции устройства и сократить операции, связанные с его настройкой.
Дальнейшим развитием ленточных фотоколориметрических газоанализаторов считается создание устройств, в которых применяется сухая лента-индикатор. Оборудование данного типа отличаются в первую очередь простотой конструкции, так как в них не нужны устройства, обеспечивающие резерв раствора-индикатора, а также его дозировку и подачу на ленту по определенному алгоритму[15].
На базе данного метода основан некоторое количество приборов, в том числе и базовая конструкция фотоколориметрического газоанализатора с сухой лентой-ндикатором (ФГЦ).
Конструкция таких приборов не предполагает их универсальности — определения одним прибором концентраций множества газов и паров. Данный минус обоснован в значительной степени неимением методик фотоколориметрического анализа (специфических реакций) многих веществ, содержащихся в воздухе.
Глава 2. Установка и программное обеспечение
2.1. Экспериментальная установка
В состав экспериментальной установки входит следующее: – фотоколориметр SpectroVis Plusс одной кюветой; – два однокомпонентных раствора; – чаша для промывания кювет; – кюветы для смешивания растворов. В н и м а н и е ! При работе на фотоколориметре: – не касаться узких стенок кюветы пальцами; − встряхивать раствор во флаконе перед измерением; – при смене раствора промывать кювету; – после измерения раствор из кюветы сливать в его же флакон.
Спектрофотометр SpectroVis Plus (рис. 2.1) обеспечивает быстрые исследования для экономии времени на ваших уроках и проводит измерения длин световых волн полного спектра. Он работает через Bluetooth или USB вашей платформы.
Спектрофотометр может с легкостью собирать полный спектр длин волн (поглощение, процент передачи или интенсивность) меньше чем за секунду. Как только будет определено максимальную длину волны, вы сможете определить концентрацию раствора (закон Бэра) или контролировать скорость реакции.
Низкий уровень потребности в освещенности позволяет использовать SpectroVis Plus для учебных мини-лабораторий и практикумов по биохимии используя микро- и полумикро-кюветы.
Спектрофотометр использует светодиодную и вольфрамовую лампу для передачи света через высококачественную дифракционную решетку. Дифракционное свет сортируется и собирается линейным детектором CCD матрицы.
Характеристики:
- Диапазон волн: 380 нм — 950 нм
- Поддержка флуоресценции: два источника возбуждения, центробежные на 405 нм и 500 нм
- Интервал ~ 1 нм между смежными значениями (собирает 570 показателей)
- Оптическое разрешение (FWHM): 5,0 нм
- Точность: длины волны ± 4,0 нм; фотометрия: ± 0,10 AU
- Источники света: лампа накаливания, примерно 8000 часов работы, одноступенчатая калибровка.
- Светодиод, примерно 100 000 часов работы. Наружное освещение не требуется
- Типичное время сканирования ~ 2 с
- Передача информации: Bluetooth или USB Рисунок 2.1 — Беспроводной спектрофотометр — SpectroVis Plus
Рисунок 2.2 – Оптическая схема устройства спектрофотометра 2.2. Програмное обеспечение
Logger Pro — LP программа для сбора и анализа данных на компьютере
Logger Pro — программное среду на Windows и Mac компьютеры для сбора и анализа данных, равных которому нет! Это мощный, функциональный и удобный в пользовании инструмент для реализации профессионального подхода к обучению. Но это не значит, что программный комплекс подходит только профильным учебным заведениям — он качественно дополняет стандартную учебную программу.
Возможности и преимущества Logger Pro
Простое начало:
- Легко составлять лабораторные работы на LoggerPro и экспортировать в Word или Excel
- Содержит библиотеку с более 1000 подготовленных экспериментов
- Быстрая адаптация лабораторных работ под вашу программу и учебный план
Разносторонние функции:
- Поддержка более 80 датчиков Vernier для графического анализ в реальном времени
- Сбор данных с LabQuest 2 / Stream / Mini, LabPro, WDSS, спектрометры и другие
- Ручной ввод данных или импорт из готовых таблиц
- Экспорт в Plotly и LabArchives — повышенная совместимость с другими Лучшие возможности:
- Синхронная запись видео визуализации эксперимента
- Покадровый анализ видео с выполнением замеров на отдельных кадрах
- Рисование прогнозов на графиках к сбору данных
- Статистический анализ данных с интегралами, имеющими, настройки кривой и прочее
Рисунок 2.3. — Logger Pro — LP программа для сбора и анализа данных на
компьютере
Главные характеристики Logger Pro: 1.Автоматическая идентификация датчиков упрощает настройку. 2.Сбор данных из большого количества датчиков и устройств в реальном времени. 3.Возможность нарисовать к сбору данных прогноз. 4.Различные режимы сбора данных для эксперимента: на основе времени, выбранные события, достижения отдельных показателей, проход через фотоворота, сумма излучения и подобные. 5.Самостоятельный ввод данных для анализа и построения графиков. 6.Импорт данных из интерфейсов Vernier. 7.Разделение графиков, таблиц и изображений для описания эксперимента на отдельных страницах. 8.Проверка значений и наклона с графиков с помощью инструментов и касательной. 9.Встроенный печать схем и графиков. Профессиональные возможности Logger Pro: 1.Графики XY, диаграммы с несколькими Y, ленточные диаграммы и построение графиков FFT. 2.Настройка пользовательских функций для модели. 3.Добыча данных из фильмов для покадрового анализа показателей. 4.Запись видео с DV камер и веб-камеры. 5.Воспроизведение фильма, синхронно с работой датчиков. 6.Анализ гель-электрофореза, GC-анализ. 7.Автоматический подсчет позволяет отображать кинетическую энергию и другие показатели. 8.Показ и сохранность времени и даты для каждого графика в эксперименте. 9.Поддержка спектрометра Ocean Optics, датчика GPS. 10.Настройки для воспроизведения курсов международного бакалавриата. Научиться пользованию программой Logger Pro просто с инструкциями в комплекте и видео-уроками записанными с экрана (как проводятся основные — те или иные действия).
Есть образцы видеозаписей для первоначального анализа.
Лучшая система лицензирования — вы покупаете одну лицензию на все учебное заведение (школу или лицей) — не нужно подсчитывать количество компьютеров, учащиеся и преподаватели могут продолжать учебу даже дома! Бесплатные обновления также входят в комплект.
Единая система обучения с Logger Pro
Начиная с Logger Pro версии 3.8.6 — компьютер или ноутбук может быть основой совместного использования учебных материалов для передачи данных. датчиков Vernier беспроводной связью на iPad и другие мобильные устройства. Системные требования для программного обеспечения:
Windows
- Windows 7 (32/64 бит) / 8-8.1 (32/64 бит) / 10 (32/64 бит)
- Intel процессор не хуже требований Приказа 704 для учебных заведений
- 1024 МБ ОЗУ (2 ГБ для 64-разрядной системы)
- 900 МБ места для программы, и 2 ГБ для создания видеоматериалов
- Свободный порт USB 2.0 или FireWire
- Включенный Bluetooth для использования беспроводных датчиков Linux Beta
- Ubuntu 14.04 LTS (32 или 64 бит)
- Edubuntu
Глава 3 Определение концентраций растворенных веществ в
двухкомпонентном растворе
3.1. Концентрированные смеси
С помощью программы Logger Pro были получены следущие графики. 1) На рисунке 3.1.1 представлена зависимость D(λ) – зависимость оптической плотности от длины волны для двух эталонных растворов разного цвета: синего и оранжевого(для наглядности на рисунке изображены соответствующими цветами).
Рисунок 3.1.1 – График зависимости оптических плотностей эталонных
растворов от длины волны
По графику видно, что растворы с данными цветами имеют противоположное изменение оптической плотности для одинаковых длин волн. В нашей работе мы проверяем, как будет выглядеть данная зависимость для смеси этих двух растворов, и как она будет меняться, в зависимости от концентрации одного раствора в смеси.
Для примера представлю некоторые из них. 2) На рисунке 3.1.2 изображен график для смеси наших растворов с концентрацией 1(оранжевый) к 9(синий).
Можно предположить, что в смеси сложились максимумы оптических плотностей обоих растворов. Но есть ли какие изменения не понятно.
Рисунок 3.1.2 — График зависимости оптической плотности смеси 1:9 от
длины волны
Взгянем на равноконцентрированную смесь наших растворов. 3) Дейтвительно, на графике (рисунок 3.1.3)для смеси «50 на 50» заметно снижение общей оптической плотности смеси, и небольшое преобладание раствора оранжевого цвета. Рисунок 3.1.3 — График зависимости оптической плотности смеси 5:5 от
длины волны
4) А вот так (рисунок 3.1.4)выглядит график нашей зависимости для смеси 9(оранжевый) к 1(синий), на котором явно заметно подавленное воздействие оптической плотности синего раствора. Для наглядности предствлю другие графики, на которых смеси «наложены» на эталоны. 4) (Рисунок 3.1.5) Смесь показана желтым цветом. Заметно слабое усиление оптической плотности(ОП) в области максимума оранжевого раствора и легкое ослабление ОП в области «синего» максимума. 5) (Рисунок 3.1.6) Более заметное ослабление «синего» максимума и области минимумов относительно обоих растворов. Рисунок 3.1.4 — График зависимости оптической плотности смеси 9:1 от
длины волны
Рисунок 3.1.5 — График зависимости оптической плотности смеси 1:9 от
длины волны, наложенный на график эталонных растворов Рисунок 3.1.6 – График зависимости оптической плотности смеси 5:5 от
длины волны, наложенный на график эталонных растворов
Рисунок 3.1.7 — График зависимости оптической плотности смеси 9:1 от
длины волны, наложенный на график эталонных растворов 6) (Рисунок 3.1.7)На данном графике видно сильное затухание воздействия оптической плотности синего раствора в смеси. График очень приближен к графику зависимости эталонного раствора оранжевого цвета. Численные результаты представлены в таблицах: Таблица 3.1.1 — ЭТАЛОНЫ (Представлена оптическая плотность эталонных
растворов на конкретных длинах волн)
Λ , нм 500 600 700
Dэ1 2,2172811696 0,2819684598 0,2641359276
Dэ2 0,2618763072 0,6067742443 2,385495258
Dэ1-Dэ2 1,9554048624 -0,3248057846 2,1213593304
Таблица 3.1.2 — СМЕСИ (Представлена оптическая плотность смесей на
конкретных длинах волн)
Λ , нм 500 600 700
D(10%) 2,2214721291 0,4701137445 2,1357954378
D(50%) 2,0396570423 -0,0326147217 1,0621098782
D(90%) 2,0965009199 0,0925811856 0,2951074567 Таблица 3.1.3 — КОНЦЕНТРАЦИИ (Представлены значеня конценраций
растворов в смесях)
Смесь 10% 50% 90%
С1 0,9080205681 0,878797954 0,9432522375
С2 0,7947844694 0,3479310062 0,0192667128
3.2 Растворы и смеси, разбавленные водой
На следующих графиках будет представлена зависимость D(λ) – зависимость оптической плотности от длины волны для эталонных растворов и смесей, разбавленных водой. 1) На рисунках 3.2.1 — 3.2.3 показаны графики для смеси воды и оранжевого раствора. По графикам видно, что вода «сглаживает» графиик в области максимума оптической плотности и «зануляет» значения минимума. Величина при этом в максимуме существенно не изменяется. Рисунок 3.2.1 – График зависимости оптической плотности для смеси воды и
оранжевого раствора 20:80 Рисунок 3.2.2 – График зависимости оптической плотности для смеси воды и
оранжевого раствора 50:50
Рисунок 3.2.3 – График зависимости оптической плотности для смеси воды и
оранжевого раствора 80:20 Рисунок 3.2.4 — График зависимости оптической плотности для смеси воды и
синего растгвора 20:80
На раствор синего цвета вода действует подругому. 2) На рисунке 3.2.4 показан график для смеси воды и синего раствора в пропорции 20:80 соответственно. График очень приближен к графику зависимости эталонного раствора синего цвета, но с «зануленным» минимумом . 3) На рисунке 3.2.5 график соответствует равноконцентрированной смеси синего раствора и воды, на котором заметно значительное затухание максимума оптической плотности раствора, точнее ~1,6 раза.
Рисунок 3.2.5 — — График зависимости оптической плотности для смеси воды
и синего растгвора 50:50
4) На рисунке 3.2.6 изображен график, соответствующий смеси синего раствора с 80-процентной концентрацией воды. В этом случае затухание максимального значения оптической плотности соответствует ~0,6, что уже в 5 раз ниже, чем у синего эталона. Рисунок 3.2.6 — График зависимости оптической плотности для смеси воды и
синего растгвора 80:20
Рисунок 3.2.7 — График зависимости оптической плотности для смеси воды, оранжевого и синего растгворов в пропорции 50:25:25 соответственно Далее представлены графики смесей, рабавленных наполовину водой 5) На рисунке 3.2.7 представлен график равноконцентрированной смеси, разбавленной наполовину водой. По нему видно, что максимум оранжевого раствора остается с незначительным изменением, а вот оптическая плотность синего раствора упала вдвое, по сравнению с не разбавленным раствором. 6) На рисунке 3.2.8 находится график для смеси с содержанием 40% синего раствора, 10% оранжевого и 50% воды. По нему видно, что он очень похож на предыдущий, с небольшими отличиями.
Рисунок 3.2.8 — График зависимости оптической плотности для смеси воды, оранжевого и синего растгворов в пропорции 50:10:40 соответственно
7) На рисунке 3.2.9 с графиком для смеси с содержанием 10% синего раствора, 40% оранжевого и 50% воды, видно, что максимум «оранжевой зоны» остался неизменным, а «а синяя зона» почти «занулилась», с незначительной оптической плотностью, приближенной к нулю. Рисунок 3.2.9 — График зависимости оптической плотности для смеси воды, оранжевого и синего растгворов в пропорции 50:40:10 соответственно
Численные результаты представлены в таблицах: Таблица 3.2.1 — ТАБЛИЦА РАЗБАВЛЕНИЙ — Представлена оптическая плотность разбавленных растворов и смесей на конкретных длинах волн. Таблица 3.2.2 — ТАБЛИЦА КОНЦЕНТРАЦИЙ РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ (оранжевый) — Представлены значеня конценраций оранжевого раствора в разбавленных смесях Таблица 3.2.3 — ТАБЛИЦА КОНЦЕНТРАЦИЙ РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ(синий) — Представлены значения конценраций синего раствора в разбавленных смесях
Таблица 3.2.1 — ТАБЛИЦА РАЗБАВЛЕНИЙ Λ, нм 500 600 700
%
20\80 0 0 0,258636043369 синий\вода
50\50 0 1,05751581931 1,83893204527 синий\вода
80\20 0 0 0,902153748561 синий\вода
20\80 1,92949057508 0 0 оранжевый\вода
50\50 1,92949057508 0 0 оранжевый\вода
80\20 1,87257542908 0 0 оранжевый\вода
10\40\50 1,86611003874 0 0,473562983487 синий\оранжевый\в ода
40\10\50 1,93610319751 0 0,0655097059126 синий\оранжевый\в ода
25\25\50 0 0,592061778928 синий\оранжевый\в 1,05751581931 ода Таблица 3.2.2 — ТАБЛИЦА КОНЦЕНТРАЦИЙ РАЗБАВЛЕННЫХ
РАСТВОРОВ (оранжевый) % С(оранжевый)
20\80 -0,0976310045234206 оранжевый\вода
50\50 -0,0976310045234206 оранжевый\вода
80\20 -0,0947511340807538 оранжевый\вода
10\40\50 -0,829015969489802 синий\оранжевый\вода
40\10\50 -0,881471974167554 синий\оранжевый\вода
25\25\50 -0,45356077836767 синий\оранжевый\вода Таблица 3.2.3 — ТАБЛИЦА КОНЦЕНТРАЦИЙ РАЗБАВЛЕННЫХ
РАСТВОРОВ (синий) % C (синий)
20\80 0,0129748657962452 синий\вода
50\50 0,0922527896150641 синий\вода
80\20 0,0452578985615641 синий\вода
10\40\50 0,106724203514912 синий\оранжевый\вода
40\10\50 -0,0701400311176609 синий\оранжевый\вода
25\25\50 0,197971503162756 синий\оранжевый\вода
Заключение
В результате продеанной работы можно сделать следующие выводы: Проведен анализ литературы по тематике работы; Отработана методика проведения спектрофотоколориметрических опытов; Отработана методика обработки результатов;
- Отработана методика измерения оптической плотности растворов различной концентрации;
- Отработана методика измерения концентраций компонентов в двухкомпонентных окрашенных растворах различной концентрации;
- Разработаны методические указания по выполнению лабораторной ра боты «Определение концентраций растворенных веществ в двухком понентном растворе методом спектрофотоколориметрии».
Аппробация результатов
Результаты исследования были представлены в статье «Определение концентрации одно и многокомпонентных растворов средствами цифровой лаборатории Vernier» / Шимко Е.А., Р.М. Утемесов, А.А.Тархов, О.В. Девятерикова // Сборник научных статей III Международной научнопрактической конференции «Использование цифровых средств обучения и робототехники в общем и профессиональном образовании: опыт, проблемы, перспективы», Барнаул, 2-3 ноября 2017 г, С.170-175. Приложение
Основная формула для нахождения концентраций растворов в двухкомпонентной смеси приведена ниже
где:
С1 и С2 — искомые концентрации компонентов 1 и 2 соответственно,
λ` и λ« — длины волн соответствующие максимумам оптических плотностей эталонных однокомпонентных растворов 1 и 2,
D(λ`) и D(λ«) – оптическая плотность двухкомпонентного раствора, на соответствующих длинах волн,
D1э и D2э -оптическая плотность эталонных растворов 1 и 2 соответственно
Библиографический список
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/diplomnaya/izmerenie-kontsentratsii-rastvorov/
