З розвитком пламеннофотометрических методів досліджень і розробкою доступних як для наукових досліджень, так і для широкої практики приладів створилися можливості вивчення різних сторін патології водно-сольового обміну в клініці [18, 62], а також і для біологічних і фізіологічних досліджень, зокрема. Методи визначення за допомогою полум'яного фотометра досить прості, а точність їх досить висока [42].
В основі методу полум'яної фотометрії лежить вимірювання фізичної величини світлового випромінювання, що виникає під впливом високої температури полум'я у елементів, які переходять у стан збудження з характерним для кожного з них емісійним спектром. В результаті вимірювання цієї величини отримують числові значення, що відображають концентрацію елементів у досліджуваних розчинах.
Порушені в полум'я атоми елементів випускають випромінювання певної довжини хвилі. Частота (V) випромінюваного світла пов'язана з енергією стану атома або молекули співвідношенням (рівнянням) Планка - Ейнштейна:
Em-Еп=hV,
де Їм і Еп - енергія атома відповідно в збудженому і кінцевому станах; h - постійна Планка.
Довжина хвилі є, таким чином, специфічним фактором, що дозволяє виявити певний елемент у присутності інших. Інтенсивність випромінювання, кількісно характеризуючи процес, що протікає в полум'я, зростає пропорційно збільшенню кількості порушуваних у полум'я атомів і залежить від концентрації розчину, так як останній поступає в пальник з постійним співвідношенням обсягу до часу. Для того, щоб виділити відповідну спектральну лінію в полум'яних фотометрах, використовуються інтерференційні світлофільтри, які підбираються таким чином, щоб максимуми пропускання відповідали характерним довжинам хвиль, испускаемым досліджуваними елементами.
Полум'я пальника повинно мати високу температуру. Пальник, живлена побутовим газом, дає температуру полум'я близько 1920° С, температура полум'я пропану - 1925° С, а температура полум'я ацетилену - 2325° С.
Полум'яні фотометри, наприклад, фірми " Карл Цейсс (НДР) розраховані на використання суміші повітря-ацетилен. У вітчизняних приладах найчастіше використовується суміш повітря - пропан, хоча можна користуватися і сумішшю повітря - побутовий газ.
В кінці 50-х років вітчизняною промисловістю серійно випускався полум'яний фотометр ФПФ-58, яким користуються досі в лабораторіях. Однак якщо його можна було використовувати для рутинних досліджень, то для науково-дослідної роботи його чутливість була недостатньою. На зміну цьому приладу прийшов полум'яний фотометра ФПЛ-1 Київського заводу аналітичних приладів.
ФПЛ-1 дозволяє визначати калій, натрій і кальцій. Нижня межа вимірювань на цьому приладі для калію - 0,01 мекв/л, натрію - 0,02 мекв/л і кальцію - 0,25 мекв/л Витрата досліджуваного рідкого зразка не перевищує 6,5 мл/хв, а час відліку одного виміру - не більше 30 с. Прилад може знайти застосування в лабораторіях лікарень, клінік, санепідстанцій науково-дослідних установ, у харчовій промисловості, сільському господарстві та ін [59].
Для виділення спектральної області досліджуваного елемента в приладі використовуються інтерференційні світлофільтри. Світлофільтр для вимірювання емісії натрію має довжину хвилі з максимумом пропускання 589 нм, для вимірювання емісії калію - довжину хвилі в максимумі пропускання 768 нм, а для емісії кальцію - 622 нм в максимумі пропускання. Всі три світлофільтру мають коефіцієнт пропускання не менше 20%.
Прилад складається з фотометра, блоку живлення, компресора і газового балона з редуктором. Схематичне зображення приладу приведено на рис. 89.
На передній панелі приладу встановлені основні ручки управління: встановлення нуля - 1, перемикач діапазонів - 2, чутливість - 3, вентиль повітря - 4, вентиль газу - 5, а також шкала вимірювального приладу - 6, вікно подання проби - 7, оглядове вікно - 8, манометр повітря - 9, манометр газу - 10. На бічній стінці приладу, праворуч розташований перемикач фільтрів.
На задній стінці розташовані штуцери для підключення повітря і газу, а також штуцер зливу сепарата, клема заземлення та кабель підключення апарата до блоку живлення.
Рис. 89. Схематичне зображення полум'яного фотометра ФПЛ-1.
Пояснення в тексті.
Робота полум'яного фотометра. Компресор подає стиснене повітря, який послідовно проходить через фільтр, що очищає його від забруднень, вентиль, який регулював тиск, і надходить в розпилювач. Сильний потік повітря утворює вакуум у верхній частині капілярної трубки, завдяки чому в нижній кінець капіляра, опущеного в посудину з досліджуваним розчином, засмоктується рідина, яка потім розпорошується в змішувальній камері, утворюючи дрібнодисперсну суспензію.
Горючий газ надходить з балона через редуктор і також очищається на фільтрі, проходить регулювальний вентиль, водяний U-образний манометр і подається в змішувальну камеру, в якій змішується з повітрям і краплями аналізованого розчину. Великі краплі утримуються сепаратором, а дрібні - разом з газом і повітрям потрапляють в пальник приладу і згоряють у полум'ї.
Зображення полум'я проектується оптичною системою (сферичне дзеркало, конденсор, інтерференційні та абсорбційні фільтри) на фотоелемент. Для запобігання фотоелемента і оптичної системи від теплового випромінювання полум'я пальник закрита циліндричним теплозахисним екраном з молібденового скла.
Для реєстрації світлових потоків, що утворюються при спалюванні досліджуваних зразків, в приладі ФПЛ-1 застосований вакуумний фотоелемент. Як стрілочного реєструючого приладу, пов'язаного через підсилювач постійного струму з фотоелементом, що використовується мікроамперметр.
В електричній схемі приладу передбачено плавне регулювання чутливості, а наявність східчастого регулювання забезпечує вибір необхідного діапазону вимірювань при використанні всієї шкали мікроамперметра.
Полум'яний фотометр БІАН-140 складається з функціональної приставки і вимірника. Прилад призначений для вимірювання концентрацій натрію і калію в біологічних рідинах [33,40].
Вимірювання проводяться за шкалою, поділеної на 100 рівномірних розподілів. Довжина шкали - 275 мм (з 1975 року - 250 мм). У фотометрі є три інтерференційних фільтра для виділення випромінювань натрію, калію і літію. Наявність останнього дозволяє працювати методом внутрішнього стандарту. Довжини хвиль в максимумі пропускання світлофільтрів мають значення відповідно: 589±5 нм; 670±5 нм; 766±5 нм. Фільтри, встановлені в гніздах спеціальної каретки (з 1975 року в гніздах барабана), легко замінюються.
Максимальна чутливість приладу при вимірюванні натрію - не менше 5·10-8 г/мл на поділ, калію - не менше 1·10-8 г/мл на поділ. Прилад працює на газоповітряної суміші повітря - пропанбутан або повітря - природний газ. Зовнішній вигляд приладу наведено на рис. 90.
Рис. 90. Полум'яний фотометр БІАН-140, модель 803.
Приймачем-перетворювачем світлового потоку в приладі служить вакуумний фотоелемент Ф9. Мінімальна кількість рідини, необхідне для проведення вимірювань,- 1 мл. Час встановлення показів - Зч-5 с.
Габарити приладу (без вимірника)-425x310x405 мм. Маса - 13 кг.
Закордонними фірмами випускаються різні моделі полум'яних фотометрів. Одним з добре зарекомендували і одержали поширення в СРСР приладів є полум'яний фотометр фірми Карл Цейсс (НДР). На полум'яному фото метрі моделі III цієї фірми (рис. 91) завдяки наявності спеціальних фільтрів можна визначати, крім калію, натрію і кальцію, також літій, стронцій, барій, рубідій, мідь, талій [73].
Деякі особливості конструкції полум'яного фотометра III. Для отримання найдрібніших частинок досліджуваних зразків на шляху потоку проби встановлено скляну кульку, вдаряючись об поверхню якого частинки рідини стають ще більш дрібними, досягаючи туманообразного стану. До приладу можуть поставлятися сопла з різним перетином вихідного отвору, що розширює можливості досліджень. Відкрита конструкція розпилювача дозволяє вести спостереження в процесі роботи. Пальник приладу дозволяє легко змінювати її рівень, що забезпечує оптимальну установку ходу променів полум'я, а ірисова діафрагма дає можливість змінювати яскравість освітлення фотоелемента до необхідних меж. У приладі використовується селеновий фотоелемент. Матове скло, яке встановлюється замість фотоелемента, дозволяє легко юстировать зображення полум'я.
Цифровий двоканальний полум'яний фотометр фірми БЕЛ моделі 170 призначений для клініко-біохімічних лабораторій [61, 71]. Прилад моделі 170 випускається в чотирьох модифікаціях - від ручного до повністю автоматизованої. Основний варіант - це прилад, в якому зразки подаються вручну і який через 10 с дає безпосередні свідчення змісту натрію і калію на двох цифрових екранах на передній панелі приладу.
У приладі є вбудована система вимірювань, що забезпечує високу точність вимірювань. У цій системі сигнали невідомих елементів (натрій і калій) балансуються за сигналом певної кількості контрольного елемента, яким є літій. Балансування сигналів усуває такі перешкоди, як зміни в тиску повітря і пального газу, зміни температури і в'язкості зразків, а також незначні хімічні забруднення досліджуваних зразків.
Блокова конструкція приладу дозволяє здійснювати різні варіанти автоматизації. Так, додавання потенціометричного самописця дозволяє автоматично виконувати операції з лінійною графічної записом результатів. Повна автоматизація досягається при заміні самописця цифропечатающим пристроєм ЕЕЛ-232, яке забезпечує цифропечатную запис з кожного каналу з попереднім записом контрольного зразка.
Одним з типових прикладів різні комбінації приладів в одному блоці є полум'яний фотометр-колориметр Flaphokol, що випускається фірмою «Карл Цейсс» (рис. 92). Це полум'яний спектрофотометр одне-променевого типу [74]. Полум'я харчується сумішшю ацетилену і стисненого повітря, підводяться зі сталевих балонів високого тиску, що виключає необхідність застосування компресора. Однак ця можливість повністю не виключається і якщо є необхідність у застосуванні компресора, то їм можна користуватися замість балона з повітрям. Компресор в цьому випадку повинен забезпечувати подачу 8-10 л повітря в хвилину при мінімальному тиску в 3 атм.
Рис. 91. Полум'яний фотометр К. Цейсс, модель III.
Прилад може живитися також і пропан-бутаном, який зручніше при дослідженні проб, що містять лужні метали, так як шкідливий вплив сторонніх елементів при аналізі лужних металів легше пригнічується при використанні пропанового полум'я.
Для проведення колориметричних досліджень встановлюється освітлювач, пучок світла від якого відкидним дзеркалом направляється в прилад. Лампи розжарювання для колориметрії та освітлення розпилювальної камери полум'яного фотометра живляться від електромагнітного стабілізатора напруги, який приєднується до мережі.
Пристрій полум'яного фотометра Flaphokol. Вакуум, що утворюється в скляному розпилювачі у повітряного сопла, піднімає рідина в засасывающем капілярі, і вона розпилюється струменем стисненого повітря. Розпилювач поміщається в спеціальному відділенні корпусу, яке висвітлюється невеликий лампочкою. Наявне для спостереження дзеркало дозволяє постійно контролювати процес розпилення. Оригінально вирішено в приладі підведення досліджуваних рідин до розпилювача. Для цієї мети використовується принцип гойдалок, на яких можна встановлювати або еталонну рідину і одну пробу, або дві проби. При видаленні однієї чашки з рідиною гойдалки автоматично поміщають під засасывающий капіляр іншу, так що підведення рідини до розпилювача майже не переривається і зміна проб не призводить в процесі розпилення до порушення встановленого температурного рівноваги між розпилювачем і навколишнім повітрям, що підвищує точність і надійність приладу. Для установки на гойдалках застосовуються спеціальні посудини. З метою підвищення продуктивності приладу при серійних дослідженнях можна використовувати спеціальний розпилювач, що знаходиться поза розпилювальної камери і представляє собою подовжений засасывающий капіляр, що дозволяє підводити проби з цілої серії судин.
Рис. 92. Полум'яний фотометр-колориметр «Флафокол».
Розкладання світла на спектр здійснюється монохроматором з диффракционной ґратами, який плавно дозволяє встановлювати будь-які довжини хвиль у межах робочого діапазону (340-850 нм), забезпечуючи тим самим, порівняно з спектрофотометр на светофильтрах, більш ефективне використання всієї області спектра. Для роботи в діапазоні спектру від 340 до 360 нм застосований спеціальний фільтр для поглинання розсіяного світла. Відлік встановленої довжини хвилі проводиться по шкалі барабана, з допомогою якого повертається диффракционная решітка. Постійна ширина вхідної і вихідної щілин монохроматора обрана так, щоб спектральна напівширина на будь-якій ділянці робочого діапазону становила 14 нм.
В якості приймача випромінювання в приладі можуть використовуватися або два фотоелемента, або два фотопомножувача. Газонаповнені фотоелементи розташовуються в загальному насадок блоці. З допомогою пересувних полозка можна за вибором включати в хід променів будь з фотоелементів (красночувствительный або синечувствительный). Фотострум приймача випромінювання після підсилення може реєструватися стрілочним вимірювальним приладом, вбудованим в монохроматорный блок приладу, або самописцем.
Для колориметрії в приладі Flaphokol використовується та ж насадка, що і для полум'яної фотометрії, але тільки необхідно включити в хід променів проточну кювету, оптичну систему зі світлофільтрами для ослаблення і регулювання інтенсивності світла і направити в монохроматор, шляхом повороту відключає дзеркала, пучок світла від лампи розжарювання в освітлювачі. Проточна кювета весь час залишається в ході променів, так що всі вимірювання проводяться з незмінною товщиною шару в 1 див. Обсяг кювети - близько 6 мл.
Результати досліджень на полум'яному фотометрі прийнято в даний час виражати в миллиэквивалентах на літр (мекв/л). Відомо, що еквівалент речовини - це його молекулярна вага, виражений в грамах і розділений на валентність, отже, миллиэквивалент - це вага речовини, виражений в міліграмах і поділений на валентність.
Щоб перевести концентрацію, виражену в мг% у мекв/л, слід користуватися наведеними нижче нескладним розрахунком:
Наприклад, концентрація калію в сироватці крові людини досягає 20 мг%, щоб виразити цей показник в мекв/л, слід 20 мг% х 10 = 200 мг/л.
Висновок у цьому розділі необхідно зупинитися на атомно-абсорбційному методі аналізу, який є, поряд з емісійним, одним з видів спектрального аналізу та застосовується для дослідження елементарного складу речовин.
Відмінною особливістю методу атомно-абсорбційної фотометрії є просвічування «атомного пара» світлом лампи, яка випромінює спектр аналізованого речовини. Атомно-абсорбційна спектроскопія -- вигідно відрізняється від емісійної - один з перспективних і швидко розвиваються аналітичних методів.
Можливості атомно-абсорбційного методу надзвичайно великі, і цей метод отримує перспективу широкого поширення. Він знаходить застосування для вирішення аналітичних задач в медицині, особливо в промисловій санітарії, ветеринарії, сільському господарстві і ряді галузей біології. Абсолютний межа виявлення елементів атомно-абсорбційним методом становить Ю-9-Ю-10. При дослідженні ролі мікроелементів доводиться кількісно визначати значну кількість неорганічних компонентів. Труднощі аналізу полягають у дуже малому вмісті мікроелементів в організмі людини і тварин, що становить 0,01-0,1 мг%, при цьому треба враховувати, що величина проби, взятої для аналізу, не повинна порушувати нормальну діяльність організму.
На відміну від емісійного методу, де широке застосування отримали полум'яні фотометри зі світлофільтрами, атомно-абсорбційні прилади, призначені для визначення елементів, лінії поглинання яких знаходяться в широкому інтервалі довжин хвиль, конструюються в основному на базі монохроматорів з кварцовою оптикою. Одним з варіантів такого типу приладів є атомно-абсорбційний спектрофотометр з механічним модулятором для джерела світла, що дозволяє відокремити абсорбційний сигнал від сигналу випромінювання самого полум'я. У приладі є можливість здійснювати автоматично встановлення довжини хвилі з двома швидкостями.
