Спектрофотометр виды. Спектрофотометры, их устройство. Дифракционная решетка спектрометра

В современном мире исследование веществ, субстанций и разного рода излучений крайне важно для дальнейших технологических разработок. Высокоточный анализ объекта позволяет собрать о нем данные, которые невозможно получить традиционными метрологическими средствами. Для таких целей в разных сферах используется спектрометр. Это устройство, с помощью которого можно определять характеристики цветовых покрытий, световых излучений и элементного состава твердотельных материалов.

Задачи спектрометрии

Общее назначение спектрометра - средство анализа, которое дает представление о различных веществах и отдельных параметрах конденсированных сред. А в качестве целевого объекта может выступать излучение, жидкость, твердые вещества и даже молекулы.

Каждый спектрометр может работать с конкретными элементами или средами, причем в ограниченных частотных диапазонах. Существуют универсальные модели с расширенными эксплуатационными характеристиками, но для работы с такой аппаратурой требуются специальные механические манипуляции.

Для чего используют спектрометры универсального и специализированного назначения? Первые подходят для генерации параметров серийных импульсов с помощью частотной гребенки, а вторые применяются для узких задач, связанных с однотипными замерами в определенных условиях. Например, если периодически требуется фиксировать световой диапазон на рабочей площадке.

Сегодня также получили распространение квантовые модели спектрометров, которые находят применение в потоковом сканировании материалов, производя контроль широкого диапазона разных веществ и сред на высокой скорости.

Оптическая щель прибора

Основные рабочие компоненты спектрометра представляют собой входную щель и дифракционную решетку. Щель служит для пропуска и визуализации излучений, поступающих в анализатор прибора через специальную полость. Она определяет световой поток, который отправляется на оптическую область детектора. Входной контур может иметь разную ширину, в зависимости от общего назначения спектрометра, - это диапазон от 5 до 800 мкм, в среднем. Высота щели в стандартном исполнении составляет 1 мм.

Дифракционная решетка спектрометра

Не менее ответственным элементом является и дифракционная решетка спектрометра. Это компонент, генерирующий диапазоны по длине световой волны, а также влияющий на разрешающую способность детектора. На практике данная решетка будет определять угол блеска и частоту световых штрихов.

Существуют голографические и нарезные решетки. Разница между ними обуславливается конфигурацией распределения лазерных пучков на светочувствительном слое и общими спектральными характеристиками.

Виды спектрометров

Среди широкого разнообразия данных приборов можно выделить следующие их разновидности:

• Блескомер. Это спектрометр, ориентирующийся на измерение блеска. Применяется в случаях, когда этот параметр выступает качественной характеристикой.
• Спектрофотометр. С помощью этого устройства анализируется спектральный состав посредством определения длины электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Выходные данные представляются в виде фотометрии и могут применяться для контроля печати.
• Колориметр. В данном случае речь идет о разновидности цветового спектрометра. Это прибор для измерения интенсивности и температуры оттенков с поправкой на контрольную цветовую шкалу.
• Экспонометр. Определяет экспозицию в фотографии и кинематографии.
• Спектрорадиометр. В основу этого аппарата заложена оптическая система, накапливающая спектры и производящая их подсчет. Сначала сканированием фиксируются сведения о спектре, а затем эти данные преобразуются в электрический сигнал.
• Яркометр. Устройство, определяющее яркость световых источников.
• аппарат представляет сведения об освещенности.

Приборы могут выполнять по отдельности каждую из этих функций, а могут и совмещать несколько операций. Многофункциональные промышленные спектрометры способны работать со светом, красками и другими рабочими средами в контексте изучения разных параметров.

Портативные и стационарные аппараты

Эта классификация в большей мере определяет разделение по технико-конструкционным и коммуникационным характеристикам. Портативные (мобильные, карманные) устройства внешне напоминают небольшие тестеры или мультиметры. Это компактные аппараты, которыми можно контролировать цвета на поверхностях со сложной геометрией, где невозможно применение стационарного оборудования. Причем, несмотря на маленькие размеры, приборы такого типа эффективно справляются с анализом разных покрытий, независимо от текстуры и степени зернистости.

Стационарный спектрометр - это более функциональный аппарат, обеспеченный мощными оптическими элементами и средствами обработки данных. Как правило, он имеет собственный микропроцессор с системой визуального представления зарегистрированных спектров. Пользователь может работать с собственным LCD-дисплеем и клавиатурой оборудования.

Принцип действия световых спектрометров

Действует спектрометр следующим образом:

• На первом этапе прибор регистрирует и накапливает спектры света, после чего информация проходит оцифровку сигнала с дальнейшим анализом в специальной программе.
• Переработка первичного светового потока происходит в оптическом волокне по мере прохождения сквозь узкую апертуру.
• Далее рассеянный свет направляется в уже упомянутую дифракционную решетку, которая рассеивает поток под разными углами.
• На заключительной стадии зафиксированные детектором фотоны преобразуются в электрический сигнал, который обрабатывается в компьютере.

А как работает спектрометр света с программным обеспечением? Через USB-порт аппарат передает электроны компьютеру, в котором производится интерполяция сигнала. В простейших моделях выполняются графики с распределением спектров по длине волны. Более сложная техника дополнительно производит калибровку и осуществляет многочисленные спектральные операции на основе полученных данных и т. д.

Принцип действия спектрометра красок

Обычно используются приборы для точного определения оттенков на текстурных и структурированных поверхностях. Как работает спектрометр красок? Непосредственно получение данных выполняет оптическая система, после чего производится анализ информации и ее переработка в насадках апертуры. Большинство таких аппаратов оснащается импульсными ксеноновыми лампами, которые и фиксируют спектры длиной волны от 360 до 740 нм в среднем. На выходе составляется график с колориметрическими значениями.

Заключение

Спектрометры при всей сложности своего устройства имеют обширную область применения. Их используют в научных исследованиях, при контроле продукции на производствах, в строительстве при оценке качества конструкции, а также в сельском хозяйстве и бытовой сфере. Дело в том, что спектрометр - это прибор, контролирующий характеристики, которые могут иметь значение для каждого человека в зависимости от обстоятельств. Анализ света, например, позволит организовать комфортное освещение как на предприятиях, так и в домашних условиях. Работа с краской, в свою очередь, позволит и рядовому автомобилисту подобрать оптимальную лакокрасочную смесь для ремонта кузова, и производителю облицовки успешно изготовить материал с заданной дизайнером фактурой.

Фотометрические исследования проводят с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать часть исследуемого раствора, содержащего все добавляемые компоненты, кроме реагента, образующего с определенным веществом окрашенное соединение. Если раствор сравнения при этом остается бесцветным и, следовательно, не поглощает лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

Устройство и принцип действия фотометрических приборов рассмотрим на примере фотоэлектрических концентрационных колориметров КФК-2, КФК-3 и спектрофотометра СФ-46.

Однолучевой фотометр КФК-2 предназначен для измерения пропускания, оптической плотности и концентрации окрашенных растворов, рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в области спектра 315-980 нм. Пределы измерения пропускания - 5-100 % (D = 0-1,3). Основная абсолютная погрешность измерения пропускания - 1 %.

Принципиальная оптическая схема фотоколориметра КФК-2 представлена на рис. 2.16.

Свет от галогенной малогабаритной лампы проходит последовательно через систему линз, теплозащитный 2, нейтральный 3, выбранный цветной 4 светофильтры, кювету 5 с раствором, попадает на пластину 6, которая делит световой поток на два: 10 % света направляется на фотодиод (при измерениях в области спектра 590-980 нм) и 90 % - на фотоэлемент (при измерениях в области спектра 315-540 нм).

Характеристики светофильтров представлены в табл. 2.2.

Рис. 2.16.

• 1 - источник света; 2 - теплозащитный светофильтр;
• 3 - нейтральный светофильтр; 4 - цветной светофильтр;
• 5 - кювета с исследуемым раствором или раствором сравнения;
• 6 - пластина, которая делит световой поток на два потока;
• 7 - фотодиод; 8 - фотоэлемент

Таблица 2.2

Спектральные характеристики светофильтров к фотоколориметру КФК-2

(рис. 2.17) предназначен для выполнения химических анализов растворов. Его принципиальная оптическая схема представлена на рис. 2.18.

Нить лампы 1 изображается конденсором 2 в плоскости диафрагмы Д, заполняя светом щель диафрагмы. Далее диафрагма Д изображается вогнутой дифракционной решеткой 4 и вогнутым зеркалом 5 в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д.,. Дифракционная решетка 6 и зеркало создают

Рис. 2.17.

Рис. 2.18.

• 1 - нить лампы; 2 - конденсор; 3 - световой фильтр;
• 4 - вогнутая дифракционная решетка; 5 - вогнутое зеркало;
• 6 - дифракционная решетка; 7,8 - объектив; 9 - кюветы;
• 10 - линза; 11 - приемник

в плоскости диафрагмы Д 2 растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси, параллельной штрихам решетки, щелью диафрагмы Д., выделяют излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Объектив 7, 8 создает в кюветном отделении слабо светящийся пучок света и формирует увеличенное изображение щели Д 2 перед линзой 10. Линза 10 сводит пучок света на приемнике 11 в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра за диафрагмой Д 1 установлен световой фильтр 3, который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315-400 нм, а затем автоматически выводится. В кю- ветное отделение (между объективом 7,8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы 9.

Фотоэлектроколориметр КФК-3 имеет следующие технические характеристики:

• - спектральный диапазон - 315-990 нм;
• - спектральный интервал, выделяемый монохроматором фотометра - не более 7 нм;
• - предел измерения коэффициента пропускания - 0,1-100%;
• - предел измерения оптической плотности - 0-3;
• - предел допускаемой основной абсолютной погрешности установки длины волны - 3 нм;
• - напряжение сети переменного тока - 220 ± 22 В;
• - частота сети переменного тока - 50-60 Гц;
• - потребляемая мощность - не более 60 В х А;
• - габаритные размеры - 500 мм х 360 мм х 165 мм;
• - масса - 15 кг.

Спектрофотометр СФ-46 предназначен для измерения спектральных коэффициентов пропускания жидких и твердых веществ в области спектра 190-1100 нм. Диапазон измерения спектральных коэффициентов пропускания - от 1 до 100 %. Абсолютная погрешность измерения не превышает 1 %, а стандартное отклонение пропускания - не более 0,1 %.

Спектрофотометр СФ-46 - стационарный прибор, рассчитанный на эксплуатацию в лабораторных помещениях без повышенной опасности поражения электрическим током.

В основу работы спектрофотометра СФ-46 (рис. 2.19) положен принцип измерения отношения двух световых потоков: потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).

Рис. 2.19.

Световой пучок от осветителя попадает в монохроматор через входящую щель и разлагается дифракционной решеткой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через образец, попадает на катод фотоэлемента в приемно-усилительном блоке. Электрические сигналы на резисторе, включенном в анодную цепь фотоэлемента, пропорциональны потокам излучения, падающим на фотокатод.

Усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления, близким к единице, обеспечивает передачу сигналов на вход микропроцессорной системы (МПС), которая по команде оператора поочередно измеряет и запоминает напряжения U т, U Q и U, пропорциональные темновому току фотоэлемента, потоку, прошедшему через контрольный образец, и потоку, прошедшему через исследуемый образец. После измерения МПС рассчитывает коэффициент пропускания исследуемого образца по формуле

В режиме определения оптической плотности образца МПС начислит оптическую плотность по формуле D = -lgТ.

Значение измеренной величины высвечивается на цифровом фотометрическом табло.

На рисунке 2.20 представлена оптическая схема спектрофотометра СФ-46.

Рис. 2.20. Оптическая схема спектрофотометра СФ-46:

• 1,1"- источники излучения; 2 - зеркальный конденсатор;
• 3, 10 - поворотные зеркала; 4, 8, 9 - линзы; 5 - входная щель;
• 6 - дифракционная решетка; 7 - выходная щель;
• 11, 12 - фотоэлементы

Изучение от источника 1 или 1" падает на зеркальный конденсатор 2, который направляет его на плоское поворотное зеркало 3 и дает изображение источника излучения в плоскости линзы 4 , расположенной вблизи входной щели 5 монохроматора. Прошедшее через входную щель излучение падает на вогнутую дифракционную решетку 6 с переменным шагом и криволинейным штрихом. Решетка изготовляется на сферической поверхности, поэтому помимо диспергирующих свойств она обладает свойством фокусировать спектр. Применение переменного шага и криволинейного штриха значительно уменьшает аберрационное искажение вогнутой дифракционной решетки и позволяет получить высокое качество спектра во всем рабочем спектральном диапазоне.

Дифракционный пучок фокусируется в плоскости выходной щели 7 монохроматора, расположенной над входной щелью 5. Сканирование осуществляется поворотом дифракционной решетки, при этом монохроматическое излучение различных длин волн проходит через выходную щель 7 и линзу 8, контрольный или измеряемый образец, линзу 9 и с помощью поворотного зеркала 10 попадает на светочувствительный слой одного из фотоэлементов 11 или 12.

Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра.

Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерения в области спектра от 186 до 700 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент - для измерения в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указывается в паспорте.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.

Для фотометрических измерений используют две большие группы приборов: фотоколориметры и спектрофотометры. В колориметрах нужные спектральные диапазоны выделяются при помощи светофильтров, ограничивающих участки спектра, в которых могут проводится измерения. В спектрофотометрах участки спектра выделяются при помощи призм или дифракционных решеток, что позволяет устанавливать любую длину волны в заданном диапазоне.

Конкретная последовательность операций при измерении оптической плотности или пропускания зависит от конструкции спектрофотометра или колориметра.

Однако основные принципы остаются неизменными. Сначала устанавливают необходимую длину волны, выбирая светофильтр на колориметре или вращая соответствующую рукоятку на спектрофотометре. Затем устанавливают нуль. Для этого в световой поток помещают кювету со стандартным раствором. Изменяя ширину щели, добиваются того, чтобы показания прибора соответствовали величине, предусмотренной инструкцией. На следующем этапе стандартный раствор заменяют исследуемым и производят отсчет величины оптической плотности или пропускания.

Современные спектрофотометры позволяют работать с высокомонохроматизированным потоком излучения. Они применяются для концентрационного анализа и при изучении спектров поглощения веществ.

Устройство и принцип действия спектрофотометра. Структурную схему спектрофотометра можно представить в виде следующих основных блоков:

источник света, монохроматор, кюветное отделение, фотоэлемент, регистрирующее устройство.

Световой пучок от источника света попадает в монохроматор через входную щель и разлагается дифракционной решеткой или призмой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через кювету, попадает на фотоэлемент, который преобразовывает световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.

Монохроматоры. Монохроматор – это оптическая система, выделяющая из всего спектра источника света излучение определенной длины волны. Это обычно призмы, по-разному преломляющие свет разных длин волн, или дифракционные решетки. В видимой области используются обычные стеклянные призмы, но в ультрафиолетовой области они не годятся, поскольку стекло начинает поглощать уже при λ < 400 нм, поэтому призмы делают из кварца.

В качестве монохроматоров применяются также дифракционные решетки, которые представляют собой плоскопараллельную пластину с нанесенными на ней параллельными линиями – бороздками. Белый свет из-за дифракции на параллельных бороздках разлагается на непрерывный спектр. Обычно в монохроматорах сначала выделяют пучок света с определенным диапазоном длин волн с помощью призмы, а затем разлагают его еще раз решеткой. Так получают строго монохроматический свет. Основное достоинство дифракционных решеток состоит в том, что можно увеличивать их разрешающую способность, поскольку она прямо пропорциональна плотности линий. Кроме того, во всем диапазоне длин волн дифракционные решетки имеют линейное разрешение, тогда как разрешение призменного монохроматора с увеличением длины волны уменьшается.

Кюветы. Исследуемое вещество растворяют в соответствующем растворе и помещают в оптически прозрачный сосуд для измерений – кювету. Обычно кюветодержатель имеет ячейки для четырех кювет. Поскольку стекло поглощает ультрафиолетовый свет, для проведения измерений в ультрафиолетовой области спектра используют кварцевые кюветы. Для измерений в видимой области можно использовать пластиковые или стеклянные кюветы. При работе с летучими или химически активными веществами кюветы закрывают крышками.

Поскольку кювета, помещенная в спектрофотометр, становится составной частью его оптической системы, с ней нужно обращаться очень аккуратно. Царапины и грязь на стенках кюветы сильно рассеивают и поглощают свет, искажая результаты измерений. Об этом особенно надо помнить при работе в ультрафиолетовой области. Кюветы можно протирать мягкими тканями, например, из хлопка. Не рекомендуется использовать для этих целей фильтровальную бумагу. Поскольку органические молекулы поглощают в ультрафиолетовой области, ни в коем случае нельзя касаться оптических (прозрачных) стенок кюветы. Раствор лучше заливать в кювету, поставив ее в предварительно вынутый из прибора кюветодержатель. Кюветы довольно хрупки, особенно кварцевые, поэтому работать с ними надо осторожно, не допуская механических повреждений.

Содержимое кюветы должно быть гомогенным – это необходимое условие получения воспроизводимых данных. Нужно следить за тем, чтобы раствор не был мутным. Особенно мешают измерениям пузырьки воздуха, сильно увеличивающие рассеяние. Нельзя наливать в кювету очень холодный раствор, поскольку при этом на наружных стенках кюветы конденсируются пары воды воздуха, и стенки становятся непрозрачными.

Если кюветы загрязнены посторонними примесями, их следует промыть дистиллированной водой и (или) растворителем, в котором растворено исследуемое вещество. Кюветы можно мыть мягкими детергентами. Не рекомендуется мыть кюветы концентрированными кислотами или щелочами, а также другими травящими агентами.

Кюветы нужно заполнять до такого уровня, чтобы поток излучения проходил целиком через слой раствора. Чаще всего используются кюветы с оптическим путем 1 см, в которые обычно заливают 2,5–3 мл раствора. В такие кюветы входит 4–5 мл, но заполняют их полностью лишь в том случае, когда это необходимо. Есть кюветы с оптическим путем 50, 20, 5, 2 и 1 мм.

Фотоэлементы. Фотоэлементы преобразовывают световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.

Фотоны, бомбардируя поверхность фотоэлемента, выбивают из него электроны, количество которых пропорционально интенсивности света. Эти электроны летят к положительному электроду. В результате в замкнутой цепи возникает электрический ток, который регистрируется по падению напряжения на сопротивлении, находящемся в этой цепи. Напряжение можно усилить, и после компенсации такого сигнала потенциометром, отградуированном в единицах поглощения, на датчике регистрируется непосредственно поглощение образца.

Фотоумножители обычно более чувствительны, чем простые фотоэлементы.

Это происходит из-за того, что электроны, вылетевшие из фоточувствительного слоя, ускоряются высоким напряжением, а из-за соударений в газе возникают вторичные электроны, что и приводит к возрастанию тока.

Ширина щели. От размера щели зависит диапазон длин волн света, падающего на образец. Поэтому для получения надежных результатов надо работать при минимально узкой для данных условий эксперимента щели. Если щель выбрана правильно, то при изменении ее размеров вдвое показания прибора не меняются.

Имея общие представления о принципе измерения спектров поглощения, можно попытаться синтезировать наипростейший спектрофотометр. Схема такого прибора приведена на рис. 1.1.19.

Рис. 1.1.19.

Такая схема спектрофотометра называется однолучевой. Здесь для измерения поглощения в один и тот же монохроматический луч света необходимо поочерёдно пропускать через кювету с образцом и кювету с растворителем (контроль).

Современные модели спектрофотометров построены по двулучевому принципу. В этом типе спектрофотометров монохроматический луч периодически направляется вращающимся зеркалом по двум каналам, в один из которых помещается кювета с образцом, в другой - кювета с растворителем. Лучи проходят образец и контроль в противофазе, и разница в интенсивностях регистрируется фото- метрирующей системой с последующей автоматической записью спектра на бланке в координатах:

К таким спектрофотометрам относится двулучевой регистрирующий прибор Specord М-40, оснащенный микроЭВМ, с высокой степенью автоматизации процессов измерения и возможностью математической обработки результатов (рис. 1.1.20).

Спектрофотометр Specord М-40 предназначен для измерения спектров поглощения в широком диапазоне длин волн

Я (200-900 нм) или V (50.000-11.000 см ~ х). Волновое число v

есть величина, обратная длине волны Я, т.е. измеряется в см ~ х.

Если Я выражается в нм, то: В приборе используются два источника света - дейтериевая лампа для ультрафиолетового диапазона 200-400 нм (50.000-25.000 см" 1) и лампа накаливания для видимой и ближней инфракрасной области 400-900 нм (25.000-

11.000 см" 1). Оптика прибора рассчитана на работу во всём указанном диапазоне и собрана с использованием отражательной (зеркальной) техники (плоские зеркала, конденсоры, реплики и т.д.).

В ультрафиолетовой области используется принцип двойной мо- нохроматизации излучения дейтериевой лампы. Дифракционный двойной монохроматор, состоящий из предварительного и главного монохроматора, обеспечивает высокое качество монохроматизации ультрафиолетового света и уменьшение мешающего рассеянного излучения. При развертке спектра в видимой области в ход лучей предварительного монохроматора вводится плоское зеркало-экран, которое перекрывает лучи водородной лампы и направляет на входную щель главного монохроматора свет от лампы накаливания. Таким образом, в видимой области работает только главный монохроматор.

Рабочий диапазон ультрафиолетовых решеток в предварительном и главном монохроматоре (1302 штр/мм) находится в пределах 54.000-28.000 см" 1 , а решётки видимого диапазона (651 штр/мм) в пределах 31.000-11.000 см" 1 . Переключение решеток от работающих в ультрафиолетовой области к предназначенным для видимой области происходит автоматически при волновом числе у =30.000 см" 1 . Обе решетки относятся к решеткам первого порядка (см. выше), а для предотвращения попадания световых лучей спектров более высоких порядков при работе в видимом диапазоне автоматически вводятся светофильтры (при переключении светофильтров развертка спектра на время также автоматически прекращается).

В спектрофотометре Specord М-40 предусмотрено регулирование ширины щелей. Входная и выходная щели монохроматора жёстко связаны между собой и управляются шаговыми двигателями от ЭВМ. Возможны два режима управления щелями:

• - с постоянной шириной щели при записи всего спектра,
• - с переменной шириной щели, величина которой может изменяться в ходе записи спектра.

Величину спектральной ширины щели можно задавать, выбирая фиксированные значения из набора щелей от 10 см" 1 до 200 см" 1 . Развертка спектра по длинам волн в спектрофотометре Specord М-40 производится шаговыми двигателями, работа которых контролируется встроенной в прибор микроЭВМ. Таким образом, измерение спектра производится по точкам - точно фиксированным длинам волн. Выбор ширины щелей и шага (числа точек) производится в зависимости от особенностей объекта и цели исследования.

Монохроматический луч заданной спектральной ширины (интервала с известной ^Кпшструм .) модулируется и затем направляется

Рис. 1.1.20.

1. Источник ультрафиолетового излучения - дейтериевая лампа; 2. Источник видимого и инфракрасного излучения - лампа накаливания; 3. Коллиматор предварительного монохроматора (вогнутое зеркало); 4. Конденсор лампы накаливания (вогнутое зеркало); 5. Дифракционная решетка предварительного монохроматора; 6. Плоское поворотное зеркало; 7,10. Входная (7) и выходная (10) щели главного монохроматора; 8. Коллиматоры главного монохроматора (вогнутые зеркала); 9. Дифракционная решетка главного монохроматора Эберта (а - реплика для ультрафиолетовой области, б - реплика для видимой и инфракрасной области); 11. Модулятор; 12. Вогнутые тороидальные зеркала; 13. Разделяющее попеременно два луча поворотное зеркало на оси мотора; 14. Плоское поворотное зеркало; 15. Кювета с образцом; 16. Кювета с контролем; 17. Фотоумножитель (ФЭУ).

поочерёдно с помощью вращающегося плоского зеркала с прорезями (13, рис. 1.1.20) в канал с объектом или в канал с растворителем (контролем). Камера для объекта разделена на два отделения. Большой отсек предназначен для работы с прозрачными растворами, а малый - для рассеивающих свет объектов.

Прошедшие через образец и контроль лучи поочерёдно в противофазе попадают на фотоумножитель, генерируя (если есть поглощение света в образце) переменный фототок (рис. 1.1.21). Если интенсивность лучей одинакова (поглощение двух кювет одинаково), то переменный фототок на выходе ФЭУ равен 0.

Рис. 1.1.21.

В противном случае возникает переменный ток, который усиливается. Сигнал обрабатывается, и результат измерения (пропускание

или оптическая плотность ) регистрируется на

бланке самописца спектрофотометра. Весь процесс измерения спектра и его воспроизведение осуществляется под контролем мик- роЭВМ, встроенной в прибор. Компьютеризация спектрофотометра дает возможность использования программ оптимального измерения и последующей математической обработки результатов, а также сохранения в памяти ЭВМ полученной информации в постоянной готовности для обработки.

Отношений потоков. Обычно используется для измерения спектров пропускания или спектров отражения излучения. Спектрофотометр является основным прибором, используемым в спектрофотометрии .

Энциклопедичный YouTube

1 / 1

Введение в спектрофотометрию

Субтитры

В этом видеоуроке я хочу немного поговорить о спектрофотометрии. Запишу этот термин. «Спектрофотометрия» звучит довольно сложно, но на самом деле она основана на весьма простом принципе. Пусть у нас есть, скажем, два раствора, которые содержат некоторое растворенное вещество. Назовем первый раствором один, а другой -- раствором два. Предположим также, что наши мензурки имеют одинаковую ширину. Теперь пусть, скажем, раствор 1... Подпишу число 1 и число 2. Теперь скажем, что в растворе 1 меньше растворенного вещества. Это... это уровень воды. Итак, здесь меньше вещества. Пусть раствор будет желтым, или мы воспринимаем его желтым. Итак, здесь меньше вещества. Скажем, что в растворе номер 2 больше растворенного вещества. Итак, здесь больше. Я заштрихую его более плотно расположенными линиями. Концентрация растворенного вещества здесь выше. Подпишу: более высокая концентрация. Хорошо. А здесь более... более низкая концентрация. Теперь давайте подумаем о том, что произойдет, если мы направим свет через каждую из этих мензурок. Давайте просто предположим, что мы освещаем их светом с длиной волны, которая особенно чувствительна к веществу, которое мы там растворили. Я буду говорить пока в общем. Представим, что у меня есть некоторый свет определенной интенсивности. Давайте просто назовем ее падающей интенсивностью. Обозначим ее I0. Это определенная интенсивность. Что случится, когда свет выйдет с другой стороны этой мензурки? Некоторая его часть будет поглощена. Некоторая часть этого света на определенных частотах будет поглощена нашими маленькими молекулами внутри мензурки. И в результате будет меньше света на выходе с другой стороны. Особенно меньше на тех частотах, на которых эти молекулы в растворе будут поглощать свет. Таким образом, у вас будет меньше света, выходящего с другой стороны. Света... света будет меньше. Я обозначу его I1. Теперь в этой ситуации, если мы осветим раствор тем же количеством света, то есть I0. Это должна быть стрелка, не получилась. И то же количество света, то же значение I0. Если мы направим то же самое количество света в эту мензурку, такое же количество, ту же самую интенсивность света, то что произойдет? Эти специфические частоты света будут сильнее поглощаться, когда свет пройдет через эту мензурку. Просто он будет сталкиваться с большим числом молекул из-за того, что здесь более высокая концентрация. Свет, который выходит из раствора с более высокой концентрацией... Я обозначу его интенсивность I2. Здесь будет более низкая интенсивность прошедшего света, чем здесь. В этом случае I2 будет иметь низкую интенсивность и она будет меньше чем I1. Надеюсь, что это понятно. Эти световые фотоны, как можно себе представить, будут врезаться в большее число молекул. Они будут поглощаться большим числом молекул. Поэтому проходить их будет меньше по сравнению с теми вот здесь, из-за того что здесь концентрация меньше. Это также справедливо в том случае, если бы мензурка была толще. Смотрите. Нарисую другую мензурку. Другую мензурку, которая, например, в два раза шире... В два раза шире... и пусть в ней будет раствор с такой же концентрацией, как и в мензурке под номером 2. Мы присвоим ей номер 3. В ней та же концентрация, что и в номере 2. Я попытаюсь сделать ее максимально похожей на эту. И вы направили некоторое количество света сюда. В общем, вы хотите сосредоточиться на частотах, которые поглощаются наиболее сильно. Представьте, что вы светите тем же самым светом сюда. У вас тот же свет, который проходил насквозь, который выходит. Вот что фактически вы увидите. Итак, это I3 вот здесь, и что, вы думаете, будет происходить? Раствор с той же концентрацией, но этот свет прошел больший путь при такой же концентрации. И снова он будет сталкиваться с большим числом молекул и будет сильнее поглощаться. Таким образом, меньше света будет проходить. Итак, I2 меньше чем I1, а I3 вообще будет наименьшей. Если бы вы смотрели на проходящий свет, то здесь было бы меньше всего света, здесь было бы немного больше света, а здесь было бы больше всего света. Если вы бы посмотрели на него, если бы вы поместили ваш глаз вот сюда (это... это ресницы), вот сюда, то здесь вы бы увидели самый яркий свет. Здесь больше всего света попадает в ваш глаз. Здесь будет несколько более темный цвет, а здесь будет самый темный цвет. Это совершенно логично. Если вы что-нибудь растворите, если вы растворите небольшую порцию чего-то в воде, так чтобы она оставалась достаточно прозрачной. Если вы растворите большое количество некоторого вещества в воде, то она будет менее прозрачной. Если сосуд, в котором вы растворяете, или мензурка, которую вы взяли, существенно длиннее, то вода будет еще менее прозрачной. Надеюсь, это дает вам понимание спектрофотометрии. Итак, следующий вопрос: какая от этого польза? Почему это вообще меня волнует? Вообще-то вы могли бы на практике воспользоваться этой информацией. Вы могли бы посмотреть, как много света прошло по отношению к тому, как много вы направили, для того чтобы определить концентрацию раствора. Вот почему мы говорим об этом на уроке химии. Прежде, чем мы сделаем это (я покажу вам пример в следующем видеоуроке), позвольте мне дать определения некоторых терминов, касающихся методов измерения концентрации или способов измерения того, как много света прошло в зависимости от того, насколько много его было направлено. Первое понятие, которое я определю -- это коэффициент пропускания. Давайте запишем. Итак, люди, дававшие определение, сказали: «Знаете, нас интересует, сколько света прошло по сравнению с тем, сколько упало». Давайте определим коэффициент пропускания как отношение интенсивности, которая проходит... (В этом примере коэффициент пропускания раствора номер 1 будет интенсивностью, которая прошла, деленной на интенсивность, которая упала. Вот здесь коэффициент пропускания -- это интенсивность, которая вышла, деленное на интенсивность, которая упала. Как мы видим, это вот здесь будет меньшим числом. I2 меньше чем I1. Здесь будет меньший коэффициент пропускания, чем в растворе номер 1. Давайте назовем это коэффициент пропускания 2. Это коэффициент пропускания 3. Это свет, который выходит, который проходит, по отношению к свету, который падает. Это наименьшее число, за ним идет вот это, и за ним вот это. Итак, здесь у нас будет наименьший коэффициент пропускания. Здесь наименьшая прозрачность, за ней идет вот эта, за ней вот эта. Теперь еще один термин, который в какой-то степени является производным, но не в математическом смысле, он просто вытекает из пропускания, и мы увидим, что у него есть интересные свойства. Это оптическая плотность. Записываем. Здесь мы попытаемся определить, насколько хорошо вещество поглощает свет. Это является мерой того, насколько хорошо свет проходит. Большие числа говорят, что пропускание высокое. Но оптическая плотность показывает, насколько хорошо вещество поглощает. Так что это нечто противоположное. Если пропускание вещества хорошее, это означает, что оно поглощает плохо, т. е. оно не способно сильно поглощать. Если вещество поглощает хорошо, это означает, что оно пропускает плохо. Итак, оптическая плотность вот здесь. Она определяется как отрицательный логарифм коэффициента пропускания. Понятно? Этот логарифм берется по основанию 10. Или вы можете считать, что коэффициент пропускания, который вы уже определили как отрицательный логарифм от отношения света, который прошел... который прошёл, к свету... к свету, падающему на мензурку. Но наиболее простой способ -- это взять отрицательный логарифм от коэффициента пропускания. Если коэффициент пропускания является большим числом, то оптическая плотность малым числом, что логично. Если пропускается много света, то значение оптической плотности будет очень мало, это означает, что не поглощается практически ничего. Если коэффициент пропускания выражается малым числом, то это означает, что поглощается много. Так что это будет действительно большим числом. Это то, что дает нам отрицательный логарифм. Есть еще одна интересная вещь, относящаяся к этой теме. Это закон Бера-Ламберта, который вы могли бы проверить. Бера-Ламберта. Вообще-то мы будем использовать его в следующем видеоуроке, закон Бера-Ламберта. Вообще-то я не знаю историю открытия этого закона. Я уверен, что к нему имеет отношение некто по фамилии Бер (букв. пиво), я всегда представлял, что его первооткрыватель пропускал свет через пиво. Закон Бера-Ламберта говорит нам, что оптическая плотность пропорциональна... Я должен написать его так... Оптическая плотность пропорциональна... пропорциональна (это показывает, какое расстояние свет должен пройти в растворе)... Она пропорциональна длине пути, умноженной на концентрацию. Обычно мы используем молярность для выражения концентрации. Другими словами, можно сказать, что оптическая плотность равна некоторой константе, обычно обозначаемой малой буквой эпсилон вот так. И она зависит от раствора или исследуемого растворенного вещества, которое мы здесь имеем, температуры, давления и других подобных факторов. Она равна некоторой константе, умноженной на длину пути прохождения света в растворе и на концентрацию раствора. Позвольте мне пояснить сказанное. Эта величина вот здесь является концентрацией. Подпишу: концентрация. Причина, почему это очень полезно, состоит в том, что если у вас есть некоторый образец с известной концентрацией... Если есть какой-то образец с концентрацией, которая вам известна... Позвольте... позвольте мне нарисовать вот здесь вот. Это наша ось концентрации. Давайте подпишу. Мы измеряем ее в единицах... концентрация... Мы измеряем ее в единицах... в единицах молярности. Представим, что молярность начинается с нуля. Она принимает значения, ну, скажем, 0, 0,1; 0,2; 0,3 и так далее. Вот здесь вы измеряете оптическую плотность, по вертикальной оси. Вы измеряете оптическую плотность. Вот так. Теперь представим, что у вас есть некоторый раствор, и вы знаете концентрацию, вы знаете, что его молярная концентрация равна 0,1. Позвольте мне обозначить молярность буквой М. Вы измеряете его оптическую плотность и просто получаете здесь некоторое число. Итак, вы измеряете его оптическую плотность, и получаете его оптическую плотность. Это низкая концентрация, раствор слабо поглощает. Вы получаете, скажем, некоторое число здесь. Например, 0,25. И затем, допустим, вы берете другую известную концентрацию, ну, скажем, с молярностью 0,2. И вы говорите: «О, смотрите, здесь оптическая плотность равна 0,5». Позвольте мне отметить это другим цветом. Раствор имеет оптическую плотность вот здесь, равную 0,5. Я должен поставить 0 впереди: 0,5 и 0,25. Это говорит вам, что это линейная зависимость. Так что для любой концентрации оптическая плотность будет находиться на прямой. Если вы хотите небольшой экскурс в алгебру, то эпсилон в действительности будет характеризовать наклон этой прямой Эпсилон, умноженное на длину, будет наклоном. Я не хочу вас сильно запутать. Но важно уяснить, что у вас тут будет прямая. Вот она. Вот она... Причина ее полезности состоит в том, что вы можете использовать очень малую часть алгебры для нахождения уравнения прямой. Или вы можете просто посмотреть на нее в виде графика и сказать: «Окей, у меня были две известные концентрации, и была возможность определить оптическую плотность, потому что мне известна линейная зависимость, выражаемая законом Бера-Ламберта». Если бы вы просто продолжили проводить измерения, то все значения расположились бы вдоль этой прямой. Вы можете затем решать обратную задачу. Т. е. провести измерения для некоторой неизвестной концентрации. Вы могли бы определить ее оптическую плотность. Давайте представим, что имеется некоторая неизвестная концентрация, и вы определили, что ее оптическая плотность вот здесь. Скажем, 0,4, то есть раствор имеет оптическую плотность 0,4. Тогда вы можете просто перейти на эту прямую вот здесь, и вы скажете: «Отлично, тогда это должно быть концентрацией исследуемого вещества в численном выражении». Тогда вы могли бы измерить ее, или вы можете определить ее алгебраически. Так что это весьма близко к молярности 0,2 или чуть меньше чем молярность 0,2. Мы разберем практический пример в следующем видеоуроке. Subtitles by the Amara.org community

Применение

Спектрофотометры могут работать в различных диапазонах длин волн - от ультрафиолетового до инфракрасного . В зависимости от этого приборы имеют разное назначение.

Назначение

Основное назначение спектрофотометров в полиграфической отрасли - проведение точной линеаризации и калибровки процессов печати. Спектрофотометры предоставляют возможность проведения точечных и автоматизированных измерений для создания высококачественных ICC-профилей .

Конструкция

На рисунках приведены две основные схемы спектрофотометров, измеряющих спектральный апертурный коэффициент отражения данного объекта относительно рабочего стандарта с известной спектральной характеристикой:

Спектральная разрешающая способность - безразмерная величина, равная отношению длины волны излучения к спектральному разрешению на этой длине волны .

Спектральный диапазон это диапазон в пределах которого может работать спектрофотометр. Для большинства случаев в полиграфии оценивается спектр светового излучения в видимом диапазоне длин волн от 380 до 730 нм. Для некоторых случаев бывает необходимым оценить ультрафиолетовую и инфракрасную составляющую излучения. Спектрофотометры измеряют только спектр излучения. Все остальные характеристики рассматриваются по спектральным данным.

Межприборная согласованность - это разброс измеряемых значений одного и того же образца, измеряемого с помощью эталонного и исследуемого прибора.

Повторяемость определяет точность измерений, которые осуществляются теми же операторами при нескольких измерениях одинаковыми приборами одних и тех же образцов.