Ультрамикроскопия и нефелометрия

Ультрамикроскопия и нефелометрия — оптические методы исследования дисперсных систем, основанные на рассеянии света, причем ультрамикроскопия в большей степени является качественным методом, в первую очередь позволяющим «увидеть» частицы в высокодисперсных системах, а нефелометрия — количественным.

?? Явление рассеяния света в дисперсных системах обсуждалось в параграфах 3.2 и 3.3.

В 1903 г. Р. Зигмонди и Г. Зиденгоиф сконструировали ультрамикроскоп — оптический прибор для обнаружения мельчайших частиц, размеры которых (10^-8— 10^-7 м) меньше предела разрешения обычных световых микроскопов.

Исторический экскурс

Рихард Зигмонди — лауреат Нобелевской премии по химии (1925 г.) «за установление гетерогенной природы коллоидных растворов и за разработанные в этой связи методы, имеющие фундаментальное значение в современной коллоидной химии».

Исследования Зигмонди были посвящены установлению природы коллоидных систем; в конце XIX — начале XX в. не было визуальных доказательств существования коллоидных частиц. Для того чтобы увидеть частицы коллоидного раствора, он вместе с физиком Г. Ф. В. Зидентопфом, работавшим на цейсовских оптических заводах в Йене, сконструировал ультрамикроскоп, который позволил увидеть частицы нанометровых размеров.

Принцип, на котором основан ультрамикроскоп, заключается в том, что на коллоидную систему сбоку направляют сильный луч света и с помощью обычного микроскопа наблюдают рассеянный отдельными частицами свет.

Схема ультрамикроскопа представлена на рис. 3.9, а. С помощью мощного источника света и системы линз создают узкий пучок света, который проходит через коллоидный раствор. Каждая частица отмечается наблюдателем как светящееся дифракционное пятнышко (яркая точка) на темном фоне, как схематически показано на рис. 3.9, б. Ультрамикроскоп не дает оптических изображений исследуемых объектов.

Рис. 3.9. Схема ультрамикроскопа (я) и наблюдаемое изображение коллоидных частиц (б):

• 1 — объектив оптического микроскопа; 2 — источник света;
• 3 — кювета с коллоидным раствором

Наблюдение с помощью ультрамикроскопа не позволяет непосредственно судить о размерах и форме коллоидных частиц, по их можно определить косвенным путем, например по интенсивности свечения. Для того чтобы в поле микроскопа можно было различать отдельные частички, концентрация их должна быть незначительной, в противном случае свет, исходящий от отдельных частиц, сольется в сплошную светлую полосу.

С помощью ультрамикроскопа можно подсчитать число частиц в изучаемом объеме, наблюдать их движение. Для определения скорости перемещения коллоидных частиц используют объектив, на который нанесены координатная сетка или оси координат с делениями. Определение облегчается при фотосъемке объектов. Этим способом была подтверждена правильность теории броуновского движения и молекулярно-кинетической теории в целом.

Нефелометрия — метод, основанный на измерении интенсивности рассеянного света, что позволяет определять концентрацию, размер и форму частиц в дисперсных системах и растворах ВМС. Нефелометрический анализ основан на теории рассеяния света. Количественная зависимость интенсивности рассеянного света от концентрации и размера частиц описывается уравнением Рэлея.

Приборы, применяемые для измерения интенсивности рассеянного света /_рас, — нефелометры. Их действие основано на уравнивании световых потоков от рассеивателя прибора и от изучаемой системы. Наблюдение ведется на темпом фоне при боковом освещении.

Для определения концентрации частиц дисперсной фазы сначала строится калибровочная зависимость /_рас по системам с известными концентрациями. Искомую концентрацию находят, сравнивая интенсивность рассеянного света исследуемого и стандартных калибровочных растворов.

Определение размеров частиц также требует предварительной калибровки по системам с известными размерами частиц.

Информацию о форме частиц можно получить, измеряя интенсивности рассеяния света под разными углами освещения.

Проявление светорассеяния в растворах высокомолекулярных соединений лежит в основе нефелометрического определения молекулярной массы, в частности для белков и иммуноглобулинов.

К нефелометрии технически близок метод турбидиметрии, основанный на изучении результата взаимодействия между светом и взвешенными в дисперсионной среде частицами. В турбидиметре измеряется интенсивность не рассеянного, а прошедшего света.

<4 О распределении светового потока па поглощенный, рассеянный и прошедший см. в параграфе 3.1.

При небольших концентрациях взвешенных частиц изменение интенсивности прошедшего света столь мало, что его сложно зафиксировать фотодетектором. Тем не менее прямые турбидиметрические измерения находят применение для определения компонентов, для которых нет других подходящих методов анализа. Современные нефелометры-турбидиметры учитывают соотношение аналитических сигналов прошедшего и рассеянного света.

Нефелометрические и турбодимерические измерения используют для изучения качества воды при экологическом мониторинге, контроле промышленных жидкостей и сточных вод.

Резюме

Ультрамикроскоп позволяет наблюдать не оптическое изображение частиц, а рассеянный отдельными частицами свет в виде светящихся пятен. Нефелометрия — метод, основанный на измерении интенсивности рассеянного света, что позволяет определять концентрацию, размер и форму частиц в дисперсных системах и растворах ВМС.