Прямая фотометрия

Прямая фотометрия - это метод количественного анализа, основанный на измерении поглощения или пропускания света веществом непосредственно в анализируемом образце. В отличие от косвенных методов, прямая фотометрия не требует предварительного добавления к образцу каких-либо реагентов, образующих окрашенные продукты реакции.

I. Принцип метода:

Прямая фотометрия использует закон Бугера-Ламберта-Бера, который связывает поглощение света веществом с его концентрацией и толщиной поглощающего слоя:

A = εbc

где:

• A - абсорбция (оптическая плотность) - мера поглощения света веществом.
• ε - молярный коэффициент поглощения - константа, характеризующая способность вещества поглощать свет на определенной длине волны (л/моль·см).
• b - длина оптического пути (толщина кюветы) - расстояние, которое свет проходит через анализируемый раствор (см).
• c - концентрация анализируемого вещества (моль/л).

Согласно закону, абсорбция прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине кюветы. При известной длине оптического пути (обычно используется кювета стандартного размера) и известном молярном коэффициенте поглощения можно определить концентрацию вещества, измерив абсорбцию.

II. Устройство прибора (фотометра или спектрофотометра):

Основные компоненты прибора для прямой фотометрии:

1. Источник света: Лампа (вольфрамовая, дейтериевая, галогеновая) или светодиод, излучающие свет в определенном диапазоне длин волн.
2. Монохроматор (для спектрофотометров): Устройство, выделяющее узкий спектральный диапазон (определенную длину волны) из спектра источника света. В простых фотометрах используются светофильтры, пропускающие свет в определенной области спектра.
3. Кювета: Контейнер (обычно прямоугольной формы) из кварца или стекла, в который помещается анализируемый образец. Кюветы имеют стандартную толщину (обычно 1 см).
4. Детектор (фотоприемник): Устройство, измеряющее интенсивность света, прошедшего через образец. Обычно используются фотоэлементы, фотоумножители или полупроводниковые детекторы.
5. Усилитель и измерительное устройство: Усиливают сигнал с детектора и отображают результаты измерения (абсорбцию или пропускание).

III. Процедура измерения:

1. Включение и прогрев прибора.
2. Установка длины волны (для спектрофотометров) или выбор светофильтра (для фотометров). Длина волны должна соответствовать максимальному поглощению анализируемого вещества.
3. Калибровка прибора (установка “нуля”): В кювету помещают раствор, не содержащий анализируемое вещество (например, дистиллированную воду или буферный раствор), и устанавливают значение абсорбции равным нулю.
4. Измерение абсорбции анализируемого образца: Образец помещают в кювету и измеряют абсорбцию.
5. Расчет концентрации: Используя закон Бугера-Ламберта-Бера, рассчитывают концентрацию анализируемого вещества.

IV. Области применения прямой фотометрии:

Прямая фотометрия широко используется в различных областях науки и техники:

• Химия: Определение концентрации различных веществ в растворах.
• Биохимия: Определение концентрации белков, нуклеиновых кислот, ферментов и других биомолекул.
• Медицина: Клинический анализ крови и мочи (определение гемоглобина, билирубина, глюкозы и других показателей).
• Экология: Контроль загрязнения воды и воздуха.
• Пищевая промышленность: Контроль качества пищевых продуктов.
• Фармацевтика: Контроль качества лекарственных средств.

V. Преимущества и недостатки прямой фотометрии:

Преимущества:

• Простота и доступность: Относительно простые приборы и методы измерения.
• Быстрота анализа: Измерение занимает несколько секунд или минут.
• Неразрушающий метод: Образец не разрушается в процессе измерения.
• Возможность автоматизации: Автоматические анализаторы позволяют проводить большое количество измерений.

Недостатки:

• Ограниченное количество определяемых веществ: Метод применим только для веществ, поглощающих свет в доступном спектральном диапазоне.
• Низкая чувствительность: По сравнению с другими методами анализа (например, атомно-абсорбционной спектрометрией).
• Влияние мешающих факторов: На результаты измерения могут влиять мутность раствора, наличие других поглощающих веществ.
• Необходимость калибровки прибора: Требуется регулярная калибровка прибора для обеспечения точности измерений.
• Требуется чистый образец: Образец должен быть прозрачным и не содержать взвешенных частиц, которые могут рассеивать свет.

VI. Примеры применения прямой фотометрии:

• Определение концентрации гемоглобина в крови: Гемоглобин поглощает свет в видимой области спектра, что позволяет определять его концентрацию непосредственно в крови.
• Определение концентрации билирубина в сыворотке крови: Билирубин также поглощает свет в видимой области спектра и может быть определен прямой фотометрией.
• Определение концентрации ДНК и РНК в растворах: Нуклеиновые кислоты поглощают свет в ультрафиолетовой области спектра.
• Измерение оптической плотности бактериальных культур: Оптическая плотность (абсорбция) бактериальной культуры пропорциональна концентрации бактерий.

В заключение, прямая фотометрия - это простой, быстрый и доступный метод количественного анализа, широко используемый в различных областях науки и техники. Несмотря на некоторые ограничения, он является ценным инструментом для решения многих задач.