Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział Wojskowo-Lekarski

Zajęcia Laboratoryjne z Biofizyki

Kolorymetryczne pomiary stezenia roztworow

Grupa IX

Zespół V

22.10.07Kolorymetryczne pomiary stężenia roztworów.

Część teoretyczna:

1. Fotometria:
   Dział fizyki zwany fotometrią zajmuje się oceną źródeł światła pod względem ich zdolności świecenia i oświetlania przedmiotów. Wyróżnia się fotometrię energetyczną obejmującą cały zakres widma, jak również fotometrię wizualną, która zajmuje się zakresem widzialnym, tak więc porusza głównie zagadnienia dotyczące odbioru oświetlenia przez ludzkie oko.

2. Wielkości fotometryczne:

• natężenie oświetlenia - jest to wielkość fizyczna równa stosunkowi strumienia świetlnego ΔΦ padającego prostopadle na dowolną powierzchnię do wartości pola tej powierzchni ΔS:
  
  
  Jednostką natężenia jest luks (lx). Luks jest natężeniem oświetlenia danej powierzchni, gdy na 1m² tej powierzchni pada prostopadle strumień światła równy jednemu lumenowi:
  
  

• światłość - wielkością określającą ilość światła wychodzącego ze źródła światła lub oprawy w ściśle określonym kierunku jest światłość. Liczona jest ona jako iloraz strumienia świetlnego Φ, wysyłanego przez źródło w elementarnym kącie bryłowym ω zawierającym dany kierunek, do wartości tego elementarnego kąta. Można ją wyliczyć ze wzoru:
  
  

• strumień świetlny - jest to parametr określającymcałkowitą moc światła emitowanego z danego źródła. jest on określany wzorem:
  ΔΦ = IΔω
  Jednostką strumienia świetlnego jest lumen (lm). Jest to strumień świetlny wysyłany przez źródło o światłości 1cd w kąt bryłowy 1sr.

• napromieniowanie (J/m2)

• natężenie napromieniowania (W/m2)

• gęstość kątowa strumienia energii (W/sr)

• luminacja energetyczna (W* m-2* sr-1 )

• ilość światła (lm*s)

• luminacja (cd/m2)

• naświetlenie (lx* s).

3. Obiektywne pomiary światła:
   Przyrządy służące do porównywania natężenia źródeł światła noszą nazwę fotometrów. Rozróżnia się

• fotometry wizualne, w których rejestratorem jest oko ludzkie, natomiast pomiar zazwyczaj jest porównawczy.

• fotometry obiektywne (rejestracja obiektywna, elektroniczna). Do badania jasności źródła światła w funkcji długości fali świetlnej stosuje się spektrofotometry. Oprócz nich znane są jeszcze specjalne rodzaje fotometrów, do których zaliczamy:

• luksomierze (do pomiaru natężenia promieniowania)

• ławy fotometryczne (mierzące światłość)

• densytometry (pomiar gęstości optycznej)

• nefelometry (pomiar światłości światła rozproszonego)

• kolorymetry.

Fotometry obiektywne (zazwyczaj spektrofotometry) działają w oparciu o zjawiska fotoelektryczne (np. fotodiody czy fotorezystory) lub termoelektryczne (zogniskowany strumień światła zmienia temperaturę czujnika). Padający strumień światła wytwarza bądź modyfikuje prąd elektryczny, który dzięki odpowiedniemu wykalibrowaniu fotometru służy do oceny wielkości fotometrycznych charakteryzujących dane źródło światła.

4. Widmo spektroskopowe:
   Jest to zarejestrowany obraz promieniowania rozłożony na częstotliwości, długości fali lub energie, które zostało wyemitowane albo weszło w kontakt z analizowaną substancją, przeszło przez nią lub zostało przez nią odbite. Widma są w stanie dostarczyć szeregu cennych informacji o analizowanej substancji. Analizą i tłumaczeniem mechanizmów powstawania widm zajmuje się spektroskopia, metoda badawcza wykorzystywana w wielu dziedzinach nauk doświadczalnych, głównie fizyce i chemii, i w zastosowaniach praktycznych (np. w medycynie).
   Widma możemy podzielić ze względu na:

• wygląd:

• widmo ciągłe - ma postać ciągłego obszaru lub szerokich pasów

• 
  widmo liniowe - ma postać oddzielnych linii na pasku widmowym (typowe dla atomów gazów rozrzedzonych)

• rodzaj fali

• sposób powstania:

• widmo emisyjne - powstaje w wyniku emisji promieniowania przez ciało

• absorpcyjne - powstaje w wyniku oddziaływania (przejścia lub odbicia) z jakąś substancją fali zazwyczaj o widmie ciągłym.
  

5. Widmo absorpcyjne:
   Widmo absorpcyjne powstaje wówczas, gdy światło o widmie ciągłym przechodzi przez warstwę substancji pochłaniającej fale elektromagnetyczne o charakterystycznych dla siebie częstościach.
   
   
   Widmo absorpcyjne ma postać ciemnych prążków (linie Fraunhofera) lub pasm na tle ciągłego widma emisyjnego. Badania widm optycznych pozwalają ustalić budowę atomów i cząsteczek, charakter oddziaływań międzyatomowych oraz skład chemiczny substancji.

6. Prawo Lamberta-Beera:
   Prawo Lamberta-Beera jest wynikiem połączenia dwóch prostszych praw optyki, prawa Lamberta i prawa Beera. Prawo to głosi, że wielkość absorpcji światła jest wprost proporcjonalna do grubości ośrodka przez które to promieniowanie przechodzi, przy czym należy również uwzględnić stężenie tego ośrodka oraz jego właściwości optyczne.

7. Transmisja i ekstynkcja:
   Ekstynkcja, synonim absorbancji - jest to wielkość fotometryczna opisująca osłabienie strumienia promieniowania monochromatycznego przechodzącego przez dany ośrodek.
   Czasami potrzebna jest informacja o tym, jaką ilość światła przepuściła dana substancja. Informację tę daje nam wielkość zwana transmisją (lub przepuszczalnością). Zarówno ekstynkcja jak i transmisja dla danej substancji zależy od długości fali padającego na nią światła. Dlatego pomiarów dokonujemy za pomocą tak zwanych kolorymetrów, które oświetlają badaną substancję monochromatyczną (jednobarwną) wiązką światła i porównują jej natężenie przed i po przejściu przez substancję.

8. Barwy ciał:
   Zabarwienie ciała wynika z:

• selektywnego odbicia światła, tzn. odbicia fal o określonych długościach (barwa ciała w świetle odbitym)

• selektywnego przepuszczania światła (barwa ciała w świetle przepuszczonym)

• interferencji światła (barwy interferencyjne).

Oko ludzkie reaguje na długości fal z przedziału od 380nm (fiolet) do 780nm (czerwień). Sprawę widzenia barwnego wyjaśnia trójchromatyczna teoria widzenia barw opracowana w XIX w. przez Younga i Helmholtza, według której w widzeniu barwnym współpracują trzy rodzaje czopków, z których każdy zawiera inny barwnik :

• wrażliwy na światło niebieskie ok.440nm

• wrażliwy na światło zielone ok.530nm

• wrażliwy na światło czerwone ok.567nm

Kombinacja pobudzeń różnych czopków daje pełne wrażenia odbierania barw.

9. Wady wzroku:

• Wady wzroku, które są zaburzeniami widzenia barwnego to:

• Tritanopia - wada wzroku polegająca na nierozpoznawaniu barw żółtej i niebieskiej.

• Deuteranopia - wada wzroku polegająca na nierozpoznawaniu barwy zielonej (lub myleniu jej z barwą czerwoną).

• Protanopia - wada wzroku polegająca na nierozpoznawaniu barwy czerwonej (lub myleniu jej z barwą zieloną).

• Monochromatyzm - całkowita niezdolność do rozpoznawania barw

• Daltonizm (ślepota barw) - niezdolność do spostrzegania różnic pomiędzy niektórymi lub wszystkimi barwami.

• Do pozostałych wad wzroku zaliczymy:

• Astygmatyzm (niezborność rogówkowa) - jest wadą polegającą na zniekształceniu widzenia wskutek niesymetryczności rogówki oka.

• Nadwzroczność - jest drugą obok krótkowzroczności najczęściej spotykaną wadą refrakcyjną oka ludzkiego. Jest wynikiem zbyt małych rozmiarów przednio - tylnych oka lub niewystarczającą siłą.

• Krótkowzroczność - jest jedną z najczęściej spotykanych wad refrakcyjnych oka ludzkiego. Jest wynikiem zbyt dużych rozmiarów przednio - tylnych oka lub zbyt dużą siłą łamiącą układu optycznego.

• Leczenie wad wzroku:

• okulary korekcyjne

• soczewka kontaktowa miękka lub twarda

• leczenie chirurgiczne (Keratotomia promienista).

Część praktyczna:

• Cel doświadczenia: Zapoznaniesię z podstawowymi prawami dot. absorpcji i transmisji oraz rozproszenia promieniowania elektromagnetycznego.
  I=I₀exp(-αL)

Jeżeli badana próbka jest roztworem wówczas współczynnik α jest zgodnie z prawem Lamberta-Beera proporcjonalny do stężenia próbki:
α=εc
gdzie ε - molowy współczynnik absorpcji.

Przy stałej grubości warstwy i stałej długości fali absorbancja jest proporcjonalna do stężenia a wykres zależności A=f(c) przechodzi przez początek układu współrzędnych.
Prawo Lamberta-Beera jest spełnione przez roztwory bardzo rozcieńczone.

• Przygotowanie fotokolorymetru do pracy.

• Budowa kolorymetru.

• Pomiary stężeń roztworów metodą fotokolorymetryczną:

• Wybór filtru barwnego zapewniającego maksymalną czułość pomiarów:

Filtr [nm]	390	430	480	535	590	610	680
Transmisja T1[%]	98	98	54	75	42	26	3

Stężenie [%]	2	4	6	8	10	x
Ekstynkcja [%]	0,3	0,58	0,85	T=7	T=3	0,72

• Mieszanie ekstynkcji roztworów o różnych stężeniach:
  
  

• Obliczanie transmisji dla stężeń:
  a) 8%:
  E = 2 - log T
  E = 2 - log 7
  E = 1,15
  
  b) 10%
  E = 2 - log 3
  E = 1,52
  Obliczenie stężenia roztworu X:
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  [%]
  

• Znalezienie prostej kalibracyjnej przyjmując liniową zależność pomiędzy ekstynkcją E a stężeniem roztworu C: Wykres znajduje się na następnej stronie.
  Obliczenia:
  y = ax
  y₁ = 0,144*5%
  y₁ = 0,72%
  y₂ = 0,144*10%
  y₂ = 1,44%
  

• Wnioski:

• roztwory absorbują światło

• możliwe jest odczytanie wartości transmisji i ekstynkcji dzięki fotokolorymetrowi

• dla różnych filtrów różna jest transmisja (największą czułość zapewnia najwyższy filtr)

• na podstawie ekstynkcji lub transmisji możliwe jest określenie stężenia roztworu

• stężenie szukanego roztworu X wynosi 5%

---