1.4. Метрология фотометрического анализа

Погрешности фотометрического определения складываются из общих погрешностей, свойственных химико-аналитическим работам, и из специфических погрешностей метода, имеющих зачастую субъективные причины - неправильное проведение химической реакции, использование грязных кювет, невоспроизводимость установки кювет в фотометрическом приборе и неточная настройка его на оптический нуль, нестабильность работы используемого в приборе источника сплошного излучения и функционирования фотометрической схемы. Сказываются также погрешности, возникающие при построении градуировочного графика. Естественно, что эти погрешности могут быть сведены к минимуму при тщательной и аккуратной работе.

Объективные погрешности фотометрии вытекают из сущности законов поглощения. В отсутствие систематических погрешностей наибольший вклад в суммарную погрешность определения концентрации вещества вносит погрешность измерения оптической плотности. Фотометрические приборы имеют линейную шкалу пропускания Т, погрешность измерения которого составляет ~ 0,5%. Шкала оптической плотности нелинейная, следовательно, погрешность измерения должна зависеть от ее величины.

Выражение, описывающее погрешность определения концентрации (∆С/С) в зависимости от светопропускания образца:

∆С/С = dT/2,3TlgT. (3.9)

Поскольку оптическая плотность D = -lgT (см. уравнения 3.1 и 3.2.), то ∆С/С является функцией D (рис. 3.3).

Из рис. 3.3. видно, что в области больших и малых значений оптической плотности погрешность измерения велика. Минимум функции соответствует D = 0,435, то есть Т = 36,6%. С погрешностью, примерно в два раза большей минимальной теоретической погрешности, можно измерять оптическую плотность в интервале 0,12—1,0, что позволяет определять концентрацию в растворе с воспроизводимостью не ниже 5%.

3.5. Дифференциальная и производная спектрофотометрия

При измерении поглощения интенсивно окрашенных растворов аналитической формы с высокой оптической плотностью (D > 1), соответствующих высокому содержанию исследуемого вещества в растворе, погрешность определения концентрации будет недопустимо велика. Ее можно уменьшить, используя метод дифференциальной спектрофотометрии. В отличие от обычной фотометрии поглощение исследуемого и стандартного растворов здесь измеряют относительно раствора сравнения (контроль), содержащего точно известное количество определяемого вещества. При этом концентрация поглощающего вещества в контрольном растворе сравнительно близка к его концентрации в фотометрируемом растворе.

В этом случае в соответствии с техникой дифференциальной фотометрии оптический нуль прибора на шкале поглощений (D = 0, Т = 100 %) устанавливают по раствору сравнения, содержащему аналитическую форму определяемого вещества. Тогда при измерении оптической плотности фотометрируемого раствора относительно этого стандартного раствора может быть достигнуто уменьшение погрешности измерения.

В дифференциальной фотометрии соотношение оптических плотностей растворов сравнения (D_ср) и фотометрируемого (D) может быть и больше и меньше единицы, поэтому удобно работать по методу двусторонней дифференциальной фотометрии: если D > D_ср, соблюдают прямой порядок измерения; если D < D_ср, то осуществляют обратный порядок измерения, то есть измеряют поглощение раствора сравнения относительно фотометрируемого и величину поглощения записывают со знаком минус.

Получаемый при дифференциальной спектрофотометрии градуировочный график не проходит через начало координат, а пересекает ось концентраций в точке, соответствующей концентрации определяемого вещества в растворе сравнения.

Существенно улучшенными фотометрическими возможностями при анализе смесей поглощающих компонентов обладает так называемый метод производной спектрофотометрии. Основная идея метода состоит в том, что последовательное дифференцирование функции с экстремумом, описывающей какой-либо сигнал, в данном случае — спектр поглощения, значительно снижает полуширину пика. В результате удается осуществлять разрешение сильно перекрывающихся полос поглощения. Поясним этот прием с помощью рис. 3.4.

Если в какой-либо смеси находятся, например, два компонента, обладающие ничтожно различающимися оптическими характеристиками, то по суммарному спектру практически невозможно сделать адекватный вывод. Преобразование суммарного спектра в " производный" - построение в координатах «∂²D/∂λ² - λ » позволяет разрешить две искомые полосы, отвечающие компонентам смеси. В определенных условиях получения производных спектров амплитуды сигналов оказываются пропорциональными содержанию компонентов в анализируемой смеси.

Успешный анализ с использованием приемов производной спектрофотометрии может быть проведен лишь на современных высококлассных спектрофотометрах, когда операции дифференцирования функций, описывающих спектры поглощения, выполняет оснащенный специальным программным обеспечением компьютер с достаточно мощным арифметическим процессором. Фирменные приборы позволяют получать производные спектра до 8—9 порядков, что усиливает возможности метода.