Турбiдиметричний метод визначення розмiру наночасточок

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3

ТУРБІДИМЕТРИЧНИЙ МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ

РОЗМІРУ НАНОЧАСТОЧОК

Мета роботи – оволодіти методикою турбідиметричного способу визначення середнього розміру наночасточок.

1. Теоретичні основи

Оптичні методи використовують для дослідження дисперсних систем та вивчення поведінки окремих її часточок. Активно застосовують методи, що дозволяють проводити дисперсійний аналіз, тобто визначати концентрацію дисперсної фази, розміри та форму часточок, їхню питому поверхню. Завдяки своїй інформативності широкого розповсюдження набули світлова та електронна мікроскопія. Нижня межа світлової мікроскопії становить до 100 нм, електронної мікроскопії – до 2–5 нм. Проте, слід врахувати, що електронну мікроскопію не можна застосовувати для дослідження рідких середовищ. Разом з тим біологічні об’єкти (гомогенати клітин, суспензії, розчини протеїнів) не тільки поглинають світло, але й сильно розсіюють його. Ефективним виходом зі становища є використання оптичних методів, що мають у своїй основі дослідження явища розсіювання світла. Важливо, що ці методи не поступаються електронній мікроскопії за своєю чутливістю.

За проходження крізь дисперсну систему світло може розсіюватися не лише в напрямку падіння первинної хвилі. Якщо в системі відсутнє поглинання, то

(1)

де І0 – інтенсивність світла, що опромінює систему, Іn – інтенсивність світла, що пройшло крізь систему в напрямку падіння, Ір – інтенсивність світла, яке розсіяне в напрямках відмінних від початкового напрямку падіння.

Розсіяння світла належить до дифракційних явищ, зумовлених неоднорідністю середовища; розмір неоднорідних зон яких менший за довжину хвилі падаючого світла. Під час розсіяння світла енергія падаючого променю не перетворюється в теплову енергію, а знов випромінюється часточками в різних напрямках.

Для "білих" золів, тобто колоїдних систем, що не поглинають світло доцільно порівнювати інтенсивність не розсіяного світла, а інтенсивність світлових потоків, що проходять крізь середовище. Цей метод аналізу називають турбідиметрією.

Якщо прийняти розсіяне світло за фіктивно поглинуте, то можна використати вираз, аналогічний до закону Бугера-Ламберта-Бера:

(2)

де – оптична густина, l – товщина шару дисперсної системи, τ – ступінь помутніння системи.

Мутність системи характеризує її здатність розсіювати світло. Ця величина обернено пропорційна до відстані, на якій інтенсивність падаючого світла зменшується в е разів, з іншого ж боку мутність системи пропорційна до концентрації та об’єму дисперсних часточок у другій степені.

На основі законів Релея та Бугера-Ламберта-Бера, за умови, що Іp << І0 можна записати:

(3)

де параметр R – інтенсивність світла, розсіяного дисперсною системою одиничної товщини, який може бути представленим у вигляді:

(4)

де В – константа, що залежить від показників заломлення дисперсного середовища та дисперсної фази, n – концентрація часточок дисперсної фази, V – об’єм часточки дисперсної фази, λ – довжина хвилі падаючого світла, а – показник степені, що залежить від радіуса часточки r та співвідношення показників заломлення дисперсного середовища та дисперсної фази.

Якщо r/λ ≤ 0,05-0,1, то чинний закон Релея для розсіяного світла, за якого а = 4. Якщо ця нерівність порушується, то розсіяння світла в системі не підпорядковується закону Релея. Ця властивість проявляється в тому, що показник степені за довжини хвилі падаючого світла буде відрізнятись від 4.

Аналіз спектральної залежності мутності дозволяє визначити радіус часточок дисперсної системи. Він оснований на експериментальному визначенні оптичної густини за різних значень довжин