Файл: 636.docx

Успехи химии 70 (5) 2001 © 2001 Российская академия наук, Отделение общей и технической химии Российской академии наук

УДК 543.4:54.412.2

Химическая цветометрия: возможности метода, области применения и перспективы

В.М.Иванов, О.В.Кузнецова

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Химический факультет 119899 Москва, Ленинские горы, факс (095)932-8846

Обобщены данные о применении метода цветометрии в химическом анализе и в различных областях промышлен­ности. Показаны возможности метода и обсуждены перспективы его дальнейшего развития. Библиография — 196 ссылок.

Оглавление

Химическая цветометрия: возможности метода, области применения и перспективы 1

В.М.Иванов, О.В.Кузнецова 1

Оглавление 2

I. Введение 3

II. Основные характеристики в цветометрии и связь между ними 8

Y : 11

III. Теоретические аспекты метода химической цветометрии 11

IV. Практическое применение метода цветометрии 25

V. Заключение 31

Литература 31

I. Введение

Цветометрия — это наука о способах измерения цвета и его количественном выражении. Метод цветометрии, заключаю­щийся в расчете цветовых характеристик анализируемого объекта на основе имеющихся спектральных параметров, позволяет как различить спектрально близкие вещества, так и получить дополнительные сведения о них. В связи с этим исследователей интересует, насколько информативен дан­ный метод, каковы области его применения и ограничения.

К настоящему времени опубликовано множество работ, посвященных созданию систем визуального детектирования и обработке изображений, причем среди них доминируют специализированные объемные монографии, в которых изла­гаются главным образом традиционные способы измерения цвета и обработки информации.^{1 5}Однако этот совершен­ный математический аппарат до сих пор мало использовался в аналитической химии, хотя и существует ряд методов компьютеризованного спектроскопического анализа с при­менением цветоизмерительных систем.⁴

Появление характерной окраски в результате химической реакции обычно используют в качественном анализе для обнаружения элементов. Известно, что наше зрение весьма чувствительно к малой абсолютной интенсивности света и позволяет довольно хорошо различать оттенки цветов. Человеческий глаз способен не только сравнить два излуче-

---

В.М.Иванов.Доктор химических наук, профессор лаборатории спектроскопических методов анализа химического факультета МГУ. Телефон: (095)939-2277.

О.В.Кузнецова.Кандидат химических наук, научный сотрудник той же лаборатории. Телефон: (095)939 -2277.

Область научных интересов авторов: спектроскопические и хрома- тографические методы в аналитической химии, ионная хроматогра­фия, органические реагенты.

Дата поступления 16 ноября 2000 г.

ния, но и определить, какое из них более (или менее) интен­сивно. Для количественной оценки интенсивности излучения создавались и совершенствовались цветоизмерительные системы. Некоторое время их практическое применение сдерживалось трудностями аппаратурного оформления. Толчком к развитию метода цветометрии послужила потреб­ность в определении состава сложных смесей красителей, используемых в текстильной промышленности. Решение этой задачи позволило не только разработать компактные цветоизмерительные приборы, но и создать математический аппарат для расчета концентрационных зависимостей по изменению параметров цвета анализируемых проб.

Существуют два основных способа измерения цвета, различающихся по методике расчета: по спектральному составу излучения или по числу отдельных цветов в смеси, дающей определяемый цвет. Согласно этой классификации, все цветоизмерительные приборы и методики расчета коор­динат цвета можно условно разделить в зависимости от измеряемой величины на два типа.

1. Координаты цвета рассчитывают по известному спект­ральному составу излучения анализируемого соединения (спектру поглощения, отражения и т.д.). Этот метод счи­тается наиболее точным.⁶

2. На основании измеренной общей функции сложения цветов (нередко соответствующей чувствительности фото­элементов) сразу получают координаты цвета определяе­мого компонента. Развитие метода сдерживается из-за трудности в изготовлении фотоэлементов с требуемой спект­ральной чувствительностью.

В зависимости от принципа, лежащего в основе цветоиз- мерительного прибора, прогнозируют погрешность его измерений.^{7 10}

Цветометрию успешно применяют в спектрофотометри- ческом титровании,^{11 13}а также для характеристики форм существования индикаторов.^{14 17}Еще более перспективно использование цветометрических измерений при химическом анализе в отсутствие приборного обеспечения или с мини­мальным его применением. В связи с развитием экспресс- методов с визуальным детектированием возникает задача определения содержания вещества по суммарному измене­нию цвета тест-образца (так называемые тест-методы), и ее позволяют решить только цветометрические системы, мак­симально приближенные по своим характеристикам к чело­веческому зрению.

---

Методы объективного измерения цвета с использованием компьютерной обработки данных находят широкое приме­нение во многих отраслях промышленности, например в полиграфической и лакокрасочной,¹⁸-¹⁹текстильной,^{20 22} стекольной^23,24и фармацевтической.^25,26Кроме того, цвет является важнейшим показателем качества пищевой продук- ции.^27,28Областей применения цветометрических методов настолько много, что их невозможно перечислить.

По нашим данным, за последние 10 лет использованию метода цветометрии был посвящен только один обзор.¹⁴ Вместе с тем за тот же период опубликовано более 200 работ, освещающих различные аспекты метода. Разрознен­ность столь обширного литературного материала затруд­няет проведение исследований, особенно для тех, кто только начинает работать в этой области науки. Целью настоящего обзора является обсуждение аналитических возможностей и практического применения метода цветометрии, а также оценка основных тенденций и перспектив в данной области.

---

II. Основные характеристики в цветометрии и связь между ними

Спектроскопические методы анализа, в сущности, сводятся к регистрации параметров оптического излучения исследуе­мого объекта. Как правило, это пространственно-временные распределения излучения, его амплитуды, частоты, фазы, поляризации и степени когерентности. Измерение аналити­ческого сигнала основывается на изменении этих параметров при взаимодействии оптического излучения с анализируе­мым объектом (поглощение, отражение, рассеяние света), а также на изменении характеристик самого анализируемого объекта под действием света в результате фотохромизма, электрооптических эффектов, люминесценции и других явле- ний.⁶Основными информативными параметрами объектов оптического контроля в аналитической химии служат ампли­тудные характеристики, такие как оптическая плотность (А), коэффициент диффузного отражения (К), интенсивность люминесценции (/_люм) и т.д. Интегральные характеристики (фотометрические величины суммарного цветового разли­чия) для этой цели практически не используют.

Согласно законам Грассмана,¹для определения цвета необходимы три независимо измеряемых параметра, два из которых характеризуют цвет, третий — интенсивность. Однако в аналитической химии эти параметры используют крайне редко из-за некоторых методических особенностей количественных измерений.

Спектроскопический анализ не позволяет непосред­ственно определить химический состав вещества. Он дает косвенную информацию через подходящую измеряемую физическую величину, такую как оптическая плотность, диф­фузное отражение и т.п. Для описания спектра помимо этой величины вводят другой независимый параметр, например длину волны или частоту. При создании методик хими­ческого анализа оперируют, как правило, амплитудными характеристиками и значениями этих независимо измеряе­мых параметров. Аналогичный подход используют при измерении характеристик цвета.²⁹

Математическое описание цвета в колориметрии бази­руется на том, что, как установлено экспериментально, любой цвет можно представить в виде смеси (суммы) опре­деленных количеств трех линейно независимых цветов.² В качестве основных цветов используют красный (К),зеле-

---

ный (G) и синий (В), т.е. три монохроматических излучения с длинами волн (Я)700, 546.1 и 435.8 нм соответственно.³⁰

График цветового охвата в данной системе приведен на рис. 1. Здесь точка S₁ отвечает цвету, входящему в это цветовое пространство, аS₂ — цвету, выходящему за его пределы. Такое представление удобнее проиллюстрировать геометрически. Три основных цвета в ортогональной системе координат являются осями, а каждый цвет, заданный тремя цветовыми координатами, отображается вектором S (см. рис. 1),

S =KR +GG +ВВ,(1)

где К, G, В— координаты красного, зеленого и синего цветов соответственно; R, G, В— единичные векторы этих смеши­ваемых цветов. Соединив точки единичных основных цветов (К =1,G = 1, В =1) друг с другом, получим треугольник, лежащий в единичной плоскости. Данная плоскость приме­чательна тем, что цветовые векторы, имеющие различную длину, но одинаковое направление, пересекают ее в одной и той же точкеS, характеризующей насыщенность цвета. Чтобы установить положение точки S на единичной плоско­сти, вводят координаты цветности г, g, b, которые связаны с координатами цвета К,G, Вследующим образом:

_г=^К;g =^G; b=^В(2)

К + G+ В' ^sК + G+ В' К + G+ В' ^w

Из соотношений (2) следует, что г+ g + b = 1, т.е. для однозначного определения положения точки на единичной плоскости достаточно двух координат цветности.

Восприятие цвета человеком учитывают по результатам экспериментов со смешением цветов. В этих экспериментах требуется зрительно уравнять чистые спектральные цвета одинаковой интенсивности (соответствующие монохромати­ческому свету с различными длинами волн) со смесями трех основных цветов, которые дает аналитический прибор. Для сопоставления чистый спектральный цвет и смесь трех цветов прибора располагают рядом на двух половинках фотометри­ческого поля сравнения. После уравнивания измеряют коли­чества трех основных цветов и определяют их отношения к единичным количествам этих цветов. Полученные величины являются цветовыми координатами уравниваемого цвета в выбранной цветометрической системе координат. Описанная процедура не позволяет уравнять большинство чистых спект­ральных цветов со смесями трех основных цветов прибора. В таких случаях к уравниваемому цвету добавляют некото­рое количество одного из основных цветов, т.е. допускается отрицательное значение координаты цвета. По результатам нескольких наблюдателей вычисляют усредненные коли­чества трех основных цветов (удельные координаты цвета), смесь которых зрительно неотличима от чистого спектраль­

---