ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.М. Горького

Физический факультет

Кафедра общей и молекулярной физики

Курсовая работа

Физические принципы спектрофотометрии.

Устройство спектрофотометра

Екатеринбург

Введение

1. Литературный обзор

1.1 История развития оптической спектрометрии

1.2 Физические основы, на которых построена методика измерений

1.2.1 Закон Бугера - Ламберта - Бера

1.3 Поглощение в твердых телах и молекулах

1.3.1 Зонная теория кристаллов

1.3.2 Теория кристаллического поля

1.3.3 Теория молекулярных орбиталей

2. Абсорбциометрические приборы

2.1 Типы абсорбционных спектрометров

2.2 Типы абсорбционных спектрометров видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона

2.2.1 Колориметры и фотоколориметры

2.2.2 Спектрофотометры

2.2.3 Двуволновые спектрофотометры

2.2.4 Спектрофотометры с фотодиодной решеткой

3. Устройство и основные узлы спектрофотометра

3.1 Устройство спектрофотометра

3.2 Основные узлы спектрофотометра

3.2.1 Источник света

3.2.2 Кюветы

3.2.3 Диспергирующий элемент

3.2.4 Монохроматоры

4. Экспериментальная часть

Заключение

Список литературы

Введение

Под оптической спектроскопией понимаются все методы количественного и качественного анализа, основанные на взаимодействии света с живой и неживой материей.

Термин свет означает электромагнитное излучение от дальней области ультрафиолетового диапазона до ближней области инфракрасного диапазона. На протяжении более чем двухсот лет оптическая спектроскопия применяется в различных областях науки, производства и медицины, в том числе в химии, биологии, физике и астрономии. Высокая специфичность оптической спектроскопии объясняется тем, что каждое вещество обладает своими спектральными свойствами, отличными от спектральных свойств других веществ. Вещества можно анализировать как в количественном, так и в качественном аспектах. В отличие от других методов спектроскопии, таких как ЯМР (ядерный магнитный резонанс), ЭПР (электронный парамагнитный резонанс), Мессбауэровской или масс-спектрометрии, для анализируемых с помощью оптической спектроскопии образцов практически нет ограничений. Измерения различных оптических параметров в зависимости от длины волны или энергии излучения ("спектр") или временных параметров ("кинетика") обеспечивают ценную информацию, которую не всегда можно получить другими аналитическими методами. Оптический спектральный анализ - это хорошо развитый метод. Однако рынок спектрофотометров все время расширяется в связи с появлением новых применений метода. В зависимости от предъявляемых требований спектрофотометры существенно различаются по размерам, форме, применимости и, в конечном счете, по стоимости. Поэтому современная тенденция заключается скорее в использовании специализированных спектрофотометров умеренной стоимости, а не громоздких, доступных для всевозможных применений "многоцелевых установок" с наилучшими характеристиками.

Цели работы:

1. изучение теоретических основ оптической спектрофотометрии

2. ознакомление с устройством и принципами работы спектрофотометра, приобретение практических навыков работы на спектрофотометре UV-1700 Shimadzu (Япония).

Исследование спектральной зависимости интенсивности сигнала Nd 3+ от его концентрации в берилловых стеклах, обогащенных Nd 3+ .

1. Литературный обзор

1.1 История развития оптической спектрометрии

Слово "спектр" в переводе с латинского означает "появление" или "схема". Исаак Ньютон в 1666 г. первым с помощью призмы расщепил солнечный свет на спектральные составляющие (рис.1). В 1758 г. Маркграф впервые, используя окраску цвета пламени, открыл способ визуального определения вещества. В 1802 г. английский физик Волдастон объяснил эксперимент Ньютона с призмой, усовершенствовал его и впервые наблюдал многочисленные темные линии в солнечном спектре. В то же время Гершель и Тальбот проводили эксперименты со светом пламени, и в 1834 г. Тальбот спектрально разделил красный цвет пламени стронция и красный цвет лития, что считается зарождением аналитической оптической спектроскопии.

Рис.1 Исаак Ньютон первым с помощью стеклянной призмы расщепил параллельный солнечный свет на его составляющие в спектр

Этот новый метод исследования, названный оптической спектроскопией, развивается с 1834г. до настоящего времени. Особое внимание следует уделить работе в этой области физики Фраунгофера, который разработал спектроскопию на дифракционных решетках и получил 1500 линий в спектре солнечного света.

спектрофотометрия спектрофотометр оптический измерение

До 20-го века не было теорий, которые могли бы удовлетворительно объяснить сложное поведение, проявляемое всеми веществами. Наиболее весомый вклад в сегодняшнее понимание спектральных проявлений внесли следующие ученые. В 1885 г. швейцарский ученый Бальмер открыл серию так называемых спектральных "линий Бальмера" в спектре водорода. В 1897 г. английский ученый Томпсон открыл электрон, а в 1911 г. его соотечественник Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро. В 1900 г. Макс Планк сформулировал первые законы квантовой теории. Вернер Гейзенберг (1932 г.) и Эрвин Шредингер (1933 г.) получили Нобелевскую премию за пионерские работы по квантовой механике. В дальнейшем концепцию квантовой механики развивали Поль Дирак и Вольфганг Паули (1945 г.), которые также получили Нобелевскую премию.

Так как история развития науки переплетена с историей развития методов измерений и анализа, то история оптической спектроскопии в большей степени отражена историей астрономии и, следовательно, историей атомной спектроскопии. Только в конце 19-го века молекулярная спектроскопия становится мощным аналитическим методом. Например, с помощью спектрофотометра, способного обнаруживать характерные "полосы" гемоглобина, можно различить кровь и красители красного цвета, так что сегодня криминалисты могут найти убийцу по маленькой капле крови.

На протяжении многих десятилетий в спектроскопии использовались обычные вольфрамовые лампы накаливания, призмы, дифракционные решетки и детекторы света, которые ограничивали результаты узким диапазоном видимой области между 500 и 700 нм.

До 40-х годов 20-го века было доступно всего несколько типов коммерческих спектрофотометров (спектрофотометр "Дженерал Электрик", спектрофотелометр Кенко, модель DM Колеман), к тому же на них было трудно работать, и они производились в ограниченном количестве. В то время "измерение" поглощения для определения концентрации производилось визуально последовательным сравнением двух полей, подобно тому, как это делается сейчас для проверки цветного видения аномалоскопом Нагеля. Знаменитый фотометр Pulfrich Цейса (было изготовлено несколько тысяч в Германии) нудно и долго работал таким способом с помощью так называемых S-фильтров в видимом диапазоне (интерференционные фильтры с полушириной полосы пропускания 15-20 нм). За 1941 г. было опубликовано более 800 статей по определению концентрации клинически важных компонентов крови и других жидкостей организма с использованием подобных спектрофотометров.

Рынок спектрального аналитического оборудования стал быстро развиваться и совершенствоваться только после второй мировой войны. Вследствие лучшего разрешения и меньшего количества рассеянного света вместо призм стали использоваться дифракционные решетки и двойные монохроматоры с автоматическим сканированием, дающие исправленные спектры, что способствовало их использованию в рутинной аналитической работе. Существенное снижение рассеянного света привело к совершенствованию детектирующих возможностей спектрофотометров на 4-5 порядков величины.

Вскоре на рынке появились специализированные фотометры, например для радиометрии, колориметрии или двуволнового анализа. В период значительного снижения цен на компьютеры с конца 70-х годов спектрометры стали изготавливать на базе микрокомпьютеров. Это не только облегчило измерения, но и позволило проводить анализ в непрерывном режиме.

1.2 Физические основы, на которых построена методика измерений

1.2.1 Закон Бугера - Ламберта - Бера

Задачей абсорбционной спектрометрии является определение того, в какой степени образец пропускает свет определенной длины волны λ. В этом контексте "свет" определяется как энергия спектрального излучения Ф е (λ) (Вт нм -1) или как плотность потока излучения на единицу поверхности (Е м -2 с -1). Для упрощения и без применения специфических единиц измерения света обозначим интенсивность падающего света в точке x = 0 как I 0 , а интенсивность в точке x - как I . Бугер в 1729 г. и Ламберт в 1760 г. установили, что ослабление света, проходящего через прозрачную среду, пропорционально интенсивности света I и толщине исследуемого образца dx (закон Бугера - Ламберта):

Введя коэффициент поглощения (экстинкции) α (λ ), получим:

(1)

Закон Бугера - Ламберта применим только при особых условиях, которые не всегда выполняются, в особенности при исследовании биологических образцов, таких как белки или различные суспензии. Условия, при которых выполняется закон Бугера - Ламберта:

· падающий свет должен быть монохроматическим и коллимированным (параллельным);

· исследуемые молекулы должны быть диспергированы до молекулярного, т.е. гомогенного уровня, они не должны рассеивать свет и взаимодействовать друг с другом;

· рассеяние и отражение от поверхности образца подобно поглощению также уменьшают интенсивность света, поэтому они также должны быть исключены.

В дополнение к этому в 1852 г. Бер обнаружил, что для большинства растворов поглощающих молекул коэффициент пропорциональности α (λ ) в уравнении (1) сам пропорционален концентрации с определяемой молекулы. Объединив открытие Бера с законом Бугера - Ламберта, получим закон Бугера - Ламберта - Бера (обычно сокращаемого до закона Ламберта - Бера):

Интегрирование уравнения (2) по всей толщине x образца дает

(3)

где постоянная интегрирования I 0 - интенсивность падающего на образец света, а I - интенсивность света в любом положении x внутри образца, т.е. с увеличением толщины образца интенсивность света уменьшается экспоненциально. В логарифмической форме уравнение (3) будет иметь вид:

С учетом так называемого коэффициента молярной экстинкции:

где Μ -1 = л/моль, получаем:

(4)

где , определяемое произведением , называется оптической плотностью или поглощательной способностью (поглощением) образца Α (λ ).

Таким образом, поглощение А пропорционально концентрации исследуемого образца. Этот вывод позволяет производить быстрое оптическое измерение концентрации.

1.3 Поглощение в твердых телах и молекулах

Основные теории твердого тела, применяемые при интерпретации оптических спектров поглощения:

Зонная теория кристаллов

Теория кристаллического поля

Теория молекулярных орбиталей

1.3.1 Зонная теория кристаллов

Зонная теория кристаллов - синтез положений об общих физических свойствах твердого тела. В основу данной теории положены представления о взаимодействии энергетических уровней электронов, происходящем в процессе образования кристалла при соединении атомов в кристаллическую постройку.

Среди твердых тел можно выделить определенные классы веществ, существование которых легко объяснить исходя из особенностей их зонной структуры:

перекрывание зон, образуемых s -, p - и d -электронными уровнями слагающих атомов;

валентная зона не полностью заполнена электронами (содержит незанятые энергетические уровни);

Оптические свойства металлов:

Непрозрачны для электромагнитных волн от самых низких частот до середины ультрафиолетовой области спектра

Хорошо отражают излучение

Неметаллические вещества (диэлектрики и полупроводники):

наличие в зонном спектре запрещенного интервала энергий между полностью заполненной валентной зоной и свободной от электронов зоной проводимости

индуцируемые светом электронные переходы имеют место либо между различными зонами, либо в пределах одной и той же энергетической полосы.

Для соединений с промежуточным (ионно-ковалентным) или ковалентным характером химической связи ширина запрещенной зоны является важнейшим параметром, обусловливающим характер оптического поглощения в видимой области спектра (окраску соединений), т.к. энергия, необходимая для перевода части электронов из валентной зоны в зону проводимости, сопоставима с энергией квантов видимого света и инфракрасного излучения.

1.3.2 Теория кристаллического поля

Сущность теории - предположение, что комплекс можно рассматривать как систему, состоящую из центрального атома (или иона) и возмущенного электростатического поля атомов (ионов) окружения, именуемых лигандами. Детали электронной структуры учитываются только для центрального иона, а сами лиганды рассматриваются лишь как неизменные источники электростатического поля (точечные заряды).

Главный вывод - это расщепление термов центрального атома в поле лигандов. В ионах переходных элементов, лантанидах и актинидах d - и f -электроны практически не экранированы от лигандов, вследствие чего электрический потенциал кристаллического поля может искажать энергетический спектр d - или f -орбит: их термы расщепляются на ряд дискретных уровней энергии. Определение характера этого расщепления является центральной задачей теории кристаллического поля.

Слабое кристаллическое поле - спектры оптического поглощения ионов практически не зависят (если не учитывать тонких деталей спектров) от кристаллохимических параметров соединений.

Для ионов группы железа (случай среднего кристаллического поля) кристаллическое поле слабее кулоновского, но значительно сильнее спин-орбитального взаимодействия: величина расщепления термов достигает 10000-20000 см - 1 .

Случай сильного кристаллического поля, приводящего к изменению электронной конфигурации ионов, реализуется для ионов с 4d - и 5d -электронами, а также для редко наблюдаемых в минералах низкоспиновых состояний ионов группы железа. В оптических спектрах природных минералов этот случай практически не встречается.

Расстояние между подуровнями расщепления, обозначаемое Δ или 10Dq , является основным параметром кристаллического поля, характеризующим влияние лигандов на термы центрального атома. Сила кристаллического поля обратно пропорциональна расстоянию (центральный ион - лиганды) приблизительно в пятой степени, т.е. уменьшение этого расстояния увеличивает силу кристаллического поля.

Искажения координационных полиэдров влекут за собой понижение локальной симметрии кристаллического поля и, как следствие, дополнительное расщепление энергетических уровней центрального иона.

Кроме того, положение энергетических уровней иона в кристаллическом поле зависит от параметров Рака В и С, учитывающих электростатическое взаимодействие электронов и отражающих состояние химической связи.

1.3.3 Теория молекулярных орбиталей

Основная идея метода МО - молекулярные орбитали образуются путем составления соответствующих линейных комбинаций атомных орбиталей центрального иона и координирующих его лигандов. По теории МО предполагается, что структурной единицей для записи волновой функции является весь комплексный ион АВ n , в котором 3d -, 4s - и 4p -орбитали центрального атома металла А в различной степени гибридизированы с р -орбитами лигандов В.

Для решения вопроса о возможности эффективной комбинации центрального иона и лигандов необходимо выполнение следующих условий:

) орбитали А и В должны обладать одинаковыми свойствами симметрии;

) орбитали центрального атома и лигандов должны по возможности полнее перекрываться (гибридизироваться);

) энергии орбиталей А и В должны быть равными.

Каждая пара атомных орбиталей образует две молекулярные орбитали - связывающую и антисвязывающую, - порождающие два энергетических уровня: нижний (связывающая орбиталь), обычно полностью заполненный электронами, и верхний (несвязывающая орбиталь) пустой или, в зависимости от электронной конфигурации центрального иона, частично заполненный d -электронами.

В общем же случае все возможные типы сочетаний пар s -, p - и d -орбиталей сводятся всего к двум типам молекулярных σ - и π-орбиталей, каждая из которых может быть связывающей (σ св, π св) или антисвязывающей (σ * , π *).

При анализе спектроскопических свойств комплексов, энергетические диаграммы которых построены с помощью МО, существенное значение имеет характер симметрии молекулярных σ - и π-орбиталей (четность - нечетность), определяющий правила отбора оптических переходов.

Правило Лапорта - переходы между состояниями одинаковой четности являются запрещенными, разрешены переходы между состояниями четное - нечетное.

Переход с переносом заряда - электрон под действием излучения переходит с орбитали, почти полностью сконцентрированной у одного атома, на орбиталь, которая полностью принадлежит другому атому.

Соответствующая полоса в спектре поглощения называется полосой или спектром переноса заряда.

Типы переноса заряда:

Переходы электронов с σ-орбитали на незанятые t 2 g - и e g - opбитали. Перенос заряда от лиганда к металлу (сокращенно лиганд → металл, или L→М).

Переходы электронов с заполненной π-орбитали, принадлежащей в основном лиганду, на e * g - , a * 1 g - или t 1 u -орбитали. При этом заряд также переносится от лиганда к металлу.

Особый тип переноса заряда характеризует соединения, в которых ионы металла имеют различные валентности.

Тип переноса заряда, обусловленный электронным взаимодействием между ионами различных металлов. В спектрах некоторых соединений обнаружены полосы поглощения, связанные с переходами между электронными уровнями пар Ni-Mn, Сu-Mn, Fe-Ti и др.

2. Абсорбциометрические приборы

Основное назначение современных абсорбциометрических приборов - определение концентрации образца с исследуемым веществом посредством сравнения величин поглощения или пропускания световой энергии исследуемого образца и образца известной концентрации.

В настоящее время на рынке фотометрических приборов и в практических лабораториях можно встретить большое разнообразие различных по конструкции и характеристикам колориметров, фотометров и спектрофотометров.

Приборы могут отличаться:

· по форме представления информации (в единицах светопропускания, в единицах оптической плотности, в единицах концентрации или любых других значениях, по которым произведена калибровка);

· по способу построения и хранения калибровочных значений (автоматическое, ручное, длительное или краткосрочное);

· по способу подачи в прибор исследуемого раствора (проточная кювета, коммутируемая кювета, кюветы специальной конструкции, например, 96-луночный планшет и т.д.);

· по конструкции оптической системы (одноканальные и многоканальные);

· по виду источника излучения световой энергии (разнообразные лампы накаливания с телом накала из вольфрама, импульсные, газоразрядные лампы, светодиоды, лазеры).

Существуют и другие отличительные признаки, так или иначе влияющие на параметры и эксплуатационные характеристики приборов.

2.1 Типы абсорбционных спектрометров

При измерении поглощения вещества определяется его поглощающая способность на определенной длине волны λ 1 . Настроив монохроматор на эту длину волны, мы определяем разницу между значениями, полученными в присутствии и отсутствие исследуемого образца (на таком принципе основаны колориметры, фотоколориметры и большинство фотометров):

Аналогично можно отсканировать весь спектральный диапазон Δλ между λ 1 и λ 2 , в присутствии и отсутствие образца (двулучевые спектрофотометры имеют два параллельных луча, один из которых проходит через сравнительную кювету, а второй - через кювету с образцом) и получить с помощью встроенного компьютера скорректированный спектр поглощения (с помощью вычислений на компьютере в режиме реального времени) (см. рис.2, а)

До недавних пор логарифмирование данных измерений спектрометров осуществляли с помощью логарифмирующего усилителя, т.е. аппаратно. Теперь, с целью снижения стоимости оборудования, процесс логарифмирования выполняется с помощью программного обеспечения спектрофотометра, исходный сигнал в котором сохраняется в линеаризированном виде. Однако это порождает некоторые трудности.

1) Прежде чем рассчитать логарифм, необходимо с высокой точностью определить нулевую линию (т.е. "истинный нулевой сигнал"), что особенно важно при измерении небольших значений поглощения, незначительные отклонения могут вызвать существенные изменения величины поглощения и формы спектра.

2) Последующее логарифмирование линеаризированных данных, хранящихся в памяти, приводит к логарифмическому фотометрическому разрешению.

) Измерение спектров поглощения быстросканирующими спектрофотометрами с одновременным логарифмированием линейного сигнала требует высоких скоростей преобразования, которые достижимы только с использованием быстродействующих микропроцессоров.

Рис.2. Типы сканирующих абсорбционных спектрофотометров. (согласно Науману и Шредеру, 1987)

С точки зрения схемной реализации - усиление сигнала переменного тока производить проще, чем усиление сигнала постоянного тока. Поэтому сигнал постоянного тока, получаемый на фотодетекторе спектрометра, перед усилением преобразуют в сигнал переменного тока механическим прерывателем (см. рис.2, б).

В отличие от последовательных измерений, измерение образца и сравнения можно проводить одновременно, предварительно расщепив луч света (расщепителем луча Y) и используя два отдельных фотодетектора D 1 и D 2 , после чего два независимых сигнала преобразуются в спектр поглощения (рис.2, в). Такой метод позволяет исключить ошибки измерения, вызванные флуктуациями источника света, но не компенсирует различия в чувствительности детекторов.

В сканирующем абсорбционном спектрометре, приведенном на рис.2, г, применяется только один детектор. Измеряющий свет расщепляется на два луча (расщепителем луча Y), затем после прохождения образца, сравнения и прерывателя они соединяются обратным расщепителем луча Y. Затем с помощью фазочувствительного усилителя, который воспринимает сигнал сравнения с прерывателя, получают исправленный спектр поглощения. Такая конструкция сканирующего абсорбционного спектрометра применяется наиболее часто. Однако у него есть несколько недостатков. Вследствие ограниченной частоты прерывателя (60 Гц) и в соответствии с теоремой отбора, скорость сканирования длины волны не может быть выше 30 с на спектр в диапазоне от 400 до 800 нм. Иначе фотометрические ошибки и ошибки определения длины волны достигнут неприемлемо высоких значений. Обычно механическое расстояние между образцом/сравнением и фотодетектором D более 20 см. Таким образом, допустимый телесный угол света, излучаемого образцом, составляет 0,001. Это исключает, однако, возможность измерения мутных рассеивающих образцов наподобие присутствующих in vivo биологических и застеклованных при низких температурах.

Для того чтобы собрать как можно больше квантов света, конструкция спектрометра должна предусмотреть как можно больший телесный угол сбора света от образца (до 2π). Площадь катода отдельного фотоумножителя, как правило, бывает неоднородной с точки зрения эффективности. Поэтому, если два луча двулучевого спектрофотометра падают на слегка различающиеся площадки одного и того же фотокатода, то, даже в случае оптимальной юстировки, коррекция нулевой линии оказывается недостаточной, и это выражается в существенном отклонении от идеальной горизонтальной линии. В практически всех спектрометрах такого типа применяется оптическая последовательная корректировка, которая занимает много времени. В соответствии с правилом Гаусса, касающимся ошибки распространения луча, ошибки лучей образца и сравнения аддитивно влияют на конечный результат. На рис.3 представлена конструкция типичного двулучевого спектрофотометра ("Kontron Instruments GmbH"). Если вновь ввести второй детектор согласно рис.2, д и компенсировать различие усиления обоими детекторами вторым световым источником переменного тока частотой f H , мы снимем ограничения в скорости сканирования. Образец, сравнение и детекторы размещаются очень близко друг к другу, что позволяет проводить измерения рассеивающих мутных образцов. Если требования к оптическим свойствам и разрешению по длине волны (порядка Δλ = ±0,5 нм) не очень высоки, что обычно бывает в химической и биологической молекулярной спектроскопии, то идеальным представляется использование конструкции Сейя - Намиока на основе голографической вогнутой решетки рис.4. Доступно быстрое спектральное сканирование мутных и сильно рассеивающих (in vivo) образцов, компактный дизайн, низкий уровень рассеянного света, большой динамический диапазон измерения и, что наиболее важно, встроенный компьютер, производящий все типы спектральных измерений. Такие спектрометры отличаются небольшими размерами, низкой стоимостью и высокой надежностью. Для каждого исследуемого образца не требуется последующее сканирование сравнительного образца. Сравнительный спектр, снятый раз и навсегда, сохраняется в виде коррекционной кривой в памяти компьютера, и спектр исследуемого образца автоматически корректируется в процессе сканирования без вмешательства человека.

Рис.3. компоненты типичного двулучевого спектрофотометра ("Kontron Instruments GmbH")

Рис.4. Схема небольшого, но мощного монохроматора Сейя - Намиока на основе голографической вогнутой решетки.

2.2 Типы абсорбционных спектрометров видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона

2.2.1 Колориметры и фотоколориметры

Фотоколориметры - приборы, предназначенные для определения количества окрашенного вещества путем измерения величин поглощения и пропускания в видимой части электромагнитного спектра.

Рис.5 Упрощенная схема фотоколориметра: 1 - источник световой энергии (лампа накаливания, импульсная лампа); 2 - полосовой светофильтр, пропускающий световой поток в полосе длин волн Δλ.; 3 - контейнер для исследуемых образцов (кювета); 4 - детектор (фотоприемник); Ф 0 - падающий поток световой энергии; Ф - поток световой энергии, прошедший раствор, который поглотил часть энергии; Δλ. - полоса пропускания светофильтра использования.

Рис 6. Обобщенная структурная схема одноканального колориметра: 1 - источник световой энергии; 2 - диафрагма; 3 - оптическая система; 4 - полосовой фильтр; 5 - оптическая система; 6 - кювета; 7 - фотоприемник; 8 - аналого-цифровой преобразователь; 9 - микро-ЭВМ; 10 - индикатор; 11 - пульт оператора; 12 - интерфейс связи с внешней ЭВМ и регистрирующим устройством.

2.2.2 Спектрофотометры

Основное отличие спектрофотометра от фотоколориметра состоит в возможности пропустить через исследуемый образец световой поток любой требуемой длины волны, проводить фотометрические измерения, сканируя (просматривая) весь диапазон длин волн не только видимого (VIS) света - от 380 до 750 нм, но и ближнего ультрафиолета (UV) - от 200 до 380 нм.

Последнее обстоятельство не исключает целесообразности выпуска недорогих спектрофотометров, не имеющих источника ультрафиолетового излучения и работающих только в видимой части оптического диапазона волн.

Целью упомянутого и очень важного режима работы спектрофотометров - режима сканирования - является построение спектральной кривой поглощения (абсорбции) и нахождение на ней пиков, а также исследование процессов интерференции и поиск ложных пиков, приводящих к ошибочным результатам при спектрофотометрических исследованиях.

Рис 7 - монохроматор (источник монохроматического излучения световой энергии на длине волны λ); 2 - кювета с исследуемым раствором; 3 - детектор (фотоприемник); Ф 0 - падающий поток световой энергии; Ф - поток световой энергии, прошедший через раствор, поглощающий часть энергии

2.2.3 Двуволновые спектрофотометры

В начале 50-х годов прошлого века Брайтон Чанс предложил новый метод измерения очень маленьких изменений поглощения сильно рассеивающих и мутных образцов. Основная идея очень проста. В то время как в двулучевой спектроскопии, где две кюветы, с образцом и сравнением, облучаются светом одной, но переменной длины волны , в двуволновой абсорбционной спектрофотометрии используется только одна кювета с образцом, которая облучается двумя различными длинами волн, и измеряется разница поглощений между 1 и 2 т.е. .

Схема стандартного двуволнового спектрофотометра приведена на рис.8. Разрешение по длине волны здесь, в отличие от светосилы, имеет второстепенное значение. Поэтому в качестве "монохроматора" двуволнового спектрофотометра вполне подойдут узкополосные интерференционные фильтры. Они обладают большей светосилой, чем решеточные монохроматоры. Два луча света с длинами волн 1 и 2 посредством колеблющегося с частотой от 30 до 100 Гц зеркала попеременно облучают образец. Соответствующие сигналы I ( 1 ) и I ( 2 ) поступают на вход фазочувствительного усилителя, выходной сигнал которого после определенного преобразования подается для обработки на компьютер.

Рис.8. Схема типичного двуволнового спектрофотометра.

Два ортогональных луча, излучаемые одной лампой, разделяются, коллимируются и диспергируются интерференционными фильтрами с длинами волн пропускания 1 и 2 . Далее лучи света фокусируются на маленькое колеблющееся зеркало (типичная частота колебания составляет 120 Гц). Генерированная последовательность световых импульсов длин волн 1 , 2 , 1 , 2 , … в большей степени поглощается оптически плотным образцом, а малая интенсивность прошедшего света детектируется фотоумножителем. Выходной сигнал фотоумножителя преобразуется синхронным усилителем и подается на компьютер для обработки. Использование полупрозрачного зеркала и соответствующего блокирующего фильтра между образцом и детектором, чрезвычайно малого светового излучателя (актиничной лампы с интерфильтром 3) позволяет распознавать чрезвычайно низкие изменения поглощения (А < 0,0001) при большом оптическом фоне (Е " 4). Кювета с образцом находится в специальном термостатированном держателе, гарантирующем постоянную температуру измерений.

2.2.4 Спектрофотометры с фотодиодной решеткой

Особым типом спектрофотометров являются приборы с фотодиодной решеткой или матрицей (PDA). Здесь свет от источника направляется непосредственно на образец и уже после этого - на дифракционную решетку, которая проецирует разложенный по поддиапазонам свет на фотодиодную решетку или матрицу. Последние содержат определенное количество фотодиодных датчиков, преобразующих световую энергию в электрические импульсы. Поэтому любой диапазон длин волн при подобной конструкции спектрофотометра дает свой "отклик" практически мгновенно, а не последовательно, как это имеет место в традиционной спектрофотометрии. Электрические импульсы с фотодиодов обычно обрабатываются микрокомпьютером с выводом результатов на дисплей. В зависимости от используемого для работы диапазона волн используются дейтериевая и/или вольфрамовая лампы.

Количество фотодиодов определяет разрешающую способность спектрофотометрического прибора. Применение фотодиодной решетки является важным элементом проведения кинетических исследований, что позволяет одновременно производить замеры исследуемого субстрата и образующегося в ходе реакции продукта при различных длинах волн. Использование данной схемы обеспечивает высокое быстродействие при работе спектрофотометра в режиме сканирования: менее одной секунды на диапазон сканирования.

3. Устройство и основные узлы спектрофотометра

3.1 Устройство спектрофотометра

Рис 9: 1 - источник световой энергии (видимая область); 2 - поворотный отражатель; 3 - источник световой энергии (ультрафиолетовая область); 4 - оптическая система, направляющая поток энергии на входную щель; 5 - входная щель; 6 - оптическая система, формирующая параллельный поток световой энергии; 7 - диспергирующий элемент (призма или дифракционная решетка); 8 - оптическая система, направляющая поток энергии на выходную щель; 9 - выходная щель; 10 - оптическая система, формирующая поток энергии, проходящий через кювету; 11 - кювета; 12 - фотоприемник; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - микро-ЭВМ; 15 - индикатор; 16 - пульт оператора; 17 - интерфейс связи с внешней ЭВМ и регистрирующим устройством

Поворотный отражатель (2) направляет поток световой энергии от одного из источников (1 или 3), через оптическую систему (4) на входную щель (5) монохроматора. С выхода монохроматора через щель (9) поступает монохроматический поток световой энергии с определенной длиной волны λ. Установка необходимой длины волны чаще всего осуществляется путем изменения угла падения полихроматического потока световой энергии по отношению к плоскости диспергирующего элемента (7). Оптическая система (10) формирует световой поток таким образом, чтобы при минимально допустимом объеме исследуемого раствора и многократной установке кюветы (11) в кюветное отделение геометрия потока не изменилась.

Полихроматический свет от источника проходит через монохроматор, который разлагает белый свет на цветовые компоненты. Монохроматическое излучение с дискретным интервалом в несколько нанометров проходит через ту часть прибора, где располагается образец с исследуемой пробой.

3.2 Основные узлы спектрофотометра

3.2.1 Источник света

Спектрофотометр UV/VIS (ультрафиолет + видимый свет) имеет два источника света: для видимого участка спектра и источник ультрафиолета - от 200 до 390 нм.

Источником видимого света служит вольфрамовая, как правило, галогенная лампа, дающая постоянный поток света в диапазоне 380 - 950 нм, являясь стабильным и долговечным источником световой энергии со средним сроком службы более 500 ч.

В качестве источника УФ используются водородные или дейтериевые лампы. Ультрафиолетовые лампы, содержащие дейтерий, имеют высокую интенсивность излучаемого потока и непрерывный спектр в диапазоне от 200 до 360 нм.

3.2.2 Кюветы

Как известно исследуемый образец помещается в специальные приставки. Для каждого вида образцов они разные. Для твердых - это специальные зажимы, а при спектральных измерениях жидких образцов используются специальные контейнеры из кварцевого стекла, так называемые кюветы.

В большинстве спектрофотометров применяются стандартные кюветы, которые предназначены для такого размещения, которое предусматривает горизонтальную траекторию луча света. Основным недостатком подобных кювет является то, что только небольшая часть образца (около 10%) освещается измеряющим светом. В случае большой ценности образца или доступности его в небольшом объеме, можно использовать микрокюветы или ультрамикрокюветы с объемом 50 или даже 2,5 мкл. Кюветы очень маленьких объемов проявляют капиллярные свойства, и возникают проблемы с образованием пузырьков воздуха, что требует дегазации. Наконец, из таких кювет сложно извлечь обратно образец. Стандартные кюветы имеют внешние размеры: 12,512,545 мм, а внутренние - 1010 мм. Кюветы с меньшим внутренним объемом, выпускаемые одним производителем имеют тот же внешний размер, что и стандартные, но внутренний, например 101,25 мм.

3.2.3 Диспергирующий элемент

В спектрофотометрах в качестве диспергирующего элемента чаще всего используют призмы и дифракционные решетки.

Дифракционная решетка технологически более сложное изделие, чем призма. Большинство применяемых в настоящее время решеток изготовлены способом выжигания и голографического копирования и представляют собой пластины с большим числом параллельных штрихов - до нескольких сот на миллиметр.

Основным преимуществом использования призмы в спектрофотометре является ее низкая стоимость.

Преимущество дифракционных решеток состоит в том, что они обеспечивают линейную дисперсию света на всем диапазоне видимого и УФ спектров. Отрицательным моментом применения дифракционных решеток является их высокая стоимость в сравнении с призмами и светофильтрами.

Одной из самых важных характеристик монохроматоров является полоса пропускания, выражаемая в единицах длин волн - нанометрах.

Если интерференционные фильтры дают ширину пропускания в диапазоне 6-20 нм, то призмы и дифракционные решетки дают более узкую полосу - менее 5 нм, а следовательно, и большую "чистоту" (монохромность) света, падающего на кювету с образцом. Полоса пропускания является одной из важнейших характеристик спектрофотометра. Уменьшение полосы пропускания влечет за собой повышение разрешающей способности спектрофотометра - значимой характеристики качества спектрофотометрических приборов.

3.2.4 Монохроматоры

Действие спектральных приборов - спектрофотометров - основано на том, что в некоторых физических системах условия прохождения света оказываются различными. Такие системы называются диспергирующими. Обычно в качестве диспергирующего элемента используют призму или дифракционную решетку. Устройства, позволяющие разделить полихроматический свет на монохроматический спектр излучения, называются монохроматорами (рис.10).

Рис. 10. Функциональная схема монохроматора с призмой.

Входная щель; 2-объектив, формирующий параллельный поток световой энергии; 3-призма; 4 - объектив, направляющий поток энергии на экран; 5 - экран; 6 - выходная щель

Щель (1), на которую падает полихроматический поток световой энергии, находится в фокальной плоскости линзы (2). Эта часть прибора называется коллиматором. Выходящий из объектива (2) параллельный поток световой энергии падает на призму (3). Вследствие дисперсии (обусловленной зависимостью показателя преломления от длины волны) свет различных длин волн выходит из призмы под разными углами. Если в фокальной плоскости линзы объектива (4) поставить экран (5), то линза сфокусирует параллельные потоки энергии для различных длин волн в разных местах экрана. Поворачивая призму (3), можно просканировать через щель (6) монохроматические потоки энергии во всем спектре излучения. Часто в качестве диспергирующего элемента используется дифракционная решетка, которая представляет собой стеклянную или металлическую пластину, на которой нанесены параллельные одинаковые штрихи, расположенные на строго одинаковых расстояниях друг от друга. На рис.11 показана дифракционная решетка, состоящая из чередующихся параллельных друг другу щелей одинаковой ширины b , расположенных на одинаковом расстоянии a друг от друга. Сумма (a + b ) является периодом этой структуры и называется постоянной решетки d.

Рис.11. Функциональная схема монохроматора с дифракционной решеткой.

Входная щель; 2 - объектив, формирующий параллельный поток световой энергии; 3 - дифракционная решетка; 4 - объектив, направляющий поток энергии на экран; 5 - экран; 6 - выходная щель

Через входную щель (1) полихроматический поток световой энергии линзой объектива (2) трансформируется в параллельный поток, который проходит через щели дифракционной решетки (3). В каждой точке на экране (5), расположенном в фокальной плоскости линзы объектива (4), соберутся те лучи, которые до линзы были параллельными между собой и распространялись под определенным углом Q к направлению падающей волны. Поэтому освещенность в точке Р на экране (5) определяется результатом интерференции вторичных волн, распространяющихся как от разных участков одной щели, так и от разных щелей. Существует направление, распространяясь по которому, вторичные волны от всех щелей будут приходить в точку Р в одной фазе и усиливать друг друга, и другое - когда волны не совпадают по фазе и ослабляют друг друга. Таким образом, на экране наблюдается чередование светлых и темных полос. Условие формирования максимумов от дифракционной решетки, то есть когда волны усиливают друг друга при интерференции, наблюдается тогда, когда разность хода равна целому числу волн. Зависимость формирования максимумов различных длин волн от угла Q дифракционной решетки выражается формулой: d*sinQ = k - 1, где k = 0, 1, 2.

Если на решетку падает свет разных длин волн, то максимумы для различных длин волн располагаются под различными углами Q к первоначальному направлению распространения света. Поэтому дифракционная решетка разлагает полихроматический свет в дифракционный спектр и употребляется как диспергирующий прибор.

4. Экспериментальная часть

Были отсняты спектры берилловых стекол обогащенных Nd 3+ , причем все шесть образцов имеют разные концентрации ионов Nd 3+ . Измерения проводились на спектрофотометре UV-1700 Shimadzu. На рис.12. приведены спектры, заметно что с ростом номера образца растут и интенсивность пиков, следовательно чем больше номер образца, тем больше концентрация Nd 3+ в образце.

Рис.12. Спектры берилловых стекол обогащенных Nd 3+

Провели исследование спектральной зависимости интенсивности сигнала Nd 3+ от его концентрации в данных образцах. Сравнили самый заметный пик (550-600 нм) с двумя пиками (730-780 нм) и (780-830 нм). Вычислили отношение значений интенсивностей данных пиков и для каждого образца и построим график зависимости полученных значений от концентрации образца (рис 13).

Теоретически два данных графика должны быть идентичны, как видно из рис.13. наша практическая часть этого не подтверждает, т.е. графики имеют некоторые различия. Это можно объяснить тем, что образцы перед использованием, конечно, были отполированы на алмазной пасте, но внутри они все равно остались неоднородными. Еще причиной является приставка в которой закреплялись образцы, она тоже дает некоторую погрешность.

Заключение

В данной работе были изучены физические принципы, лежащие в основе работы спектрофотометра, его внутреннее устройство и основные узлы. Важно подчеркнуть, что основные принципы действия спектрофотометра, отдельные оптико-механические схемы, блоки и узлы находят свое применение в различных специализированных приборах и автоматических анализаторах для различных исследований.

Была проделана небольшая экспериментальная работа на спектрофотометре UV-1700 Shimadzu (Япония). В ходе которой были отсняты спектры шести образцов берилловых стекол с разной концентрацией ионов Nd 3+ . Проведено исследование спектральной зависимости интенсивности сигнала Nd 3+ от его концентрации в данных образцах. Выявлены причины расхождения теоретических и практических данных (неоднородность образцов и приставка).

Список литературы

1. В. Шмидт "Оптическая спектроскопия для химиков и биологов", Изд.: Техносфера, М., 2007.

Платонов А.Н. "Природа окраски минералов", Изд.: Наукова думка, Киев, 1976.

Свободная Интернет энциклопедия "Википедия", http://wikipedia.org/

Цвет является ощущением, что возникает в человеческом мозге из-за цветового стимула (лучистая энергия, которая проникает в человеческий орган зрения). Но бывают ситуации, когда цвет необходимо измерить.

Электронный оптический аппарат, которым измеряют цвет называется спектрофотометр. С его помощью измеряют величину излучения в нужной области видимого спектра.Данный прибор более точен по сравнению с колориметром. Образец для измерения может иметь вид жидкости, твердого тела, пасты, гранул, пленки либо порошка.

Он пропускает либо отражает падающий на него свет от источника освещения.

Измерение спектрофотометром происходит следующим образом: встроенная лампа (источник освещения) излучает измерительный свет, он отражается от образца, призмы (либо дифракционные решетки) разделяют его на части, каждая часть имеет свою полосу пропускания (обычно это 10 нанометров). Свет от каждой из этих частей попадает на фоточувствительный элемент. Матрица этих элементов выдаст все данные об энергетическом распределении по отраженному, поглощенному либо пропущенному образцом излучаемому спектру. Как итог получается коэффициент отражения либо пропускания, он выражается в процентах.

Спектрофотометры обладают целым набором технических параметров, которые влияют на выбор модели прибора. Даже конструкцию спектрофотометра определяет область его применения.

Выбирая спектрофотометр, нужно узнать, какой источник излучения указан в документации.

Данный параметр обозначается заглавной буквой латинского алфавита:

• свет от электрической лампочки со световой температурой, равной 2856 Кельвинам (A);
• свет солнца, но не прямой, со световой температурой, равной 6774 Кельвинам (C);
• естественное (дневное освещение) со световой температурой, равной 5000 Кельвинам (D);
• естественное (дневное освещение) со световой температурой, равной 6500 Кельвинам (D65).

Диаметр площади для измерения цвета также имеет большое значение. Если предстоит проводить измерение цвета гранул, порошка, искусственных камней либо поверхностей с неоднородным окрашиванием, то нужен прибор с большой апертурой, чтобы была хорошая сходимость итогов измерения. Однако иногда возникает необходимость и в небольшом диаметре площади для измерения цвета.

Важными параметрами спектрофотометра являются повторяемость и воспроизводимость итогов измерения.

• Воспроизводимость определяется близостью итогов измерения одного объекта одинаковыми методами и правилами одного документа с использованием разного оборудования и различными лаборантами в различные отрезки времени и в разных лабораториях.
• Повторяемость определяется близостью итогов измерения одного объекта одинаковыми методами и правилами одного документа с применением одного оборудования в одной лаборатории одним лаборантом.

Приборы спектрофотометры подразделяются на несколько категорий:

1. Если нужны точный анализ цвета, испытания и аттестация сырьевых материалов, то применяют стационарные приборы (для исследований, измерения степени пропускания прозрачных предметов и белизны предмета с ультрафиолетовыми компонентами). Они обладают хорошей прочностью конструкции, большой измерительной головкой и большим измерительным отверстием. В них расширены возможности измерения цвета (можно измерять и на отражение, и на пропускание).
2. Спектрофотометры портативной конфигурации дают возможность измерить цвет в режиме реального времени и на любом этапе производственного процесса. Такие приборы легкие и очень удобные, их можно транспортировать. У них есть не только измерительная головка, но и мощная система микропроцессоров для анализирования информации, полученной во время измерения. Все результаты измерений выводятся жидкокристаллический экран прибора, а в памяти, которая встроена в прибор, можно сохранить большое число данных и допустимые критерии. Эти спектрофотометры функционируют и отдельно от компьютера. Их оснащают угловой, сферической либо многоугловой геометрией измерений.

Таблица. Операции и средства поверки спектрофотометров инфракрасных согласно ГОСТ 8.657-2009.

Наименование операции	Номер пункта стандарта	Наименование и тип основного или вспомогательного средства поверки; обозначение нормативного документа, устанавливающего технические требования и (или) метрологические и основные технические характеристики средства поверки
Внешний осмотр	7.1	-
Опробование	7.2	Пленка полистирола толщиной 0,025...0,070 мм по ГОСТ 20282
Определение разрешающей способности	7.3	Газовая кювета, заполненная аммиаком под давлением 4·10 3 Па, с длиной поглощающего слоя 100 мм из набора поверочных средств для инфракрасных спектрофотометров НПС-ИКС; пары воды в атмосфере
Определение погрешности градуировки шкалы волновых чисел	7.4	Эталонные средства измерений 2-го разряда по рекомендации (стандартные образцы): пленка полистирола толщиной 0,025…0,070 мм или кюветы, заполненные инденом, с поглощающим слоем толщиной 0,1 и 0,025 мм, или кювета, наполненная аммиаком под давлением 4·10 3 Па, с длиной поглощающего слоя 100 мм, или диоксид углерода и пары воды в атмосфере (характеристики спектров приведены в приложениях А и Б). Лупа с десятикратным увеличением по ГОСТ 25706
Определение уровня мешающего излучения	7.5	Фотометрический секторный диск с коэффициентом пропускания 10% из эталонного средства измерений ПКС-731. Фильтры из набора поверочных средств для инфракрасных спектрофотометров НПС-ИКС по приложению В
Определение абсолютной основной погрешности спектрофотометра	7.6	Фотометрические секторные диски с коэффициентами пропускания 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% и 90% из эталонного средства измерений ПКС-731. Предел допускаемой погрешности измерений коэффициентов пропускания - не более 0,3%

При выборе спектрофотометра, помимо других технических параметров, необходимо обратить внимание и на геометрию измерения (первое значение - это освещение образца, второе значение - отраженный световой поток). Геометрия измерения определяет, как образец освещен и как наблюдается. Существует несколько геометрий освещения, чтобы измерять спектр отраженного сигнала, которые установлены на заседании комиссии по вопросам освещения, членами которой являются специалистами из разных стран.

Есть несколько измерительных геометрий:

• 45/0 - образец освещен пучками света (единичным пучком), их оси с нормалью к образцовой поверхности создают угол в 45 градусов. Направление наблюдения и нормаль к образцовой поверхности создают угол в 10 градусов. А угол, образованный осью освещения пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам. Эти параметры соблюдаются и в пучке наблюдения.
• 0/45 - образец освещен пучком света, его ось с нормалью к образцовой поверхности создают угол в 10 градусов. Образец наблюдают под углом в 45 градусов к его нормали. А угол, образованный осью пучка освещения и одним из его лучиков, равен 5 градусам. Эти параметры соблюдаются и в пучке наблюдения.
• D/0 - образец освещен диффузно интегрирующей сферой (любой диаметр). Нормаль к образцовой поверхности и ось пучка наблюдения создают угол, равный 10 градусам. Угол, образованный осью наблюдаемого пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам.
• 0/D - образец освещен пучком света, его ось с нормалью к образцовой поверхности создают угол 10 градусов. Световой поток отражается и собирается интегрирующей сферой. Угол, образованный осью освещаемого пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам.

Сейчас применяют модели спектрофотометров, имеющие измерительную геометрию, обозначаемую 45/0 и D/0.

Приборы, чья измерительная геометрия обозначена 45/0, являются дешевыми и портативными. Их применяют, контролируя цвет и измеряя шкалу теста (создание ICC профилей). Сначала они обладали одним световым источником, а потом появились спектрофотометры с симметричными световыми источниками (их два).

Специалисты заметили, что в цветах образцов, освещаемых с различных сторон, есть весьма заметные отличия.

Чтобы эти различия усреднить, начали применять спектрофотометры со световыми источниками в виде колец (геометрия измерения 45/0:c). Однако их нельзя использовать для металлизированных и глянцевых образцов (свет отражается зеркально, измерения обладают большой погрешностью).

Приборы, чья геометрия измерения D/0, лишены таких ограничений, а образец имеет диффузное освещение. В них зеркальную составляющую исключают, размещая приемник света под углом, равным 8 градусам, к нормали, и размещая ловушку блеска (она включает либо выключает зеркальный компонент) напротив.

Когда свет не падает на образцовую поверхность под углом 8 градусов из-за ловушки блеска, то он не отразится зеркально, а будет лишь диффузный свет отраженного потока. Получается измерительная геометрия, которую принято обозначать D/8. Зеркальную ловушку в закрытом виде (включение зеркального компонента) обозначают как D/8:i. Зеркальную ловушку в открытом виде (исключение зеркального компонента) обозначают как D/8:e.

Существуют предметы, окрашенные в особые цвета (вкрапления из металла либо жемчужные пигменты), чтобы они выделялись на общем фоне похожих предметов. И дать визуальную оценку таким предмета при помощи спектрофотометров с угловой либо со сферической геометрией становится затруднительно. Поэтому используют приборы с многоугловой геометрией (объект подсвечивается под углом 45 градусов, а измерение выполняется под незеркальным углом 15 градусов, 25 градусов, 45 градусов, 75 градусов и 110 градусов).

Спектрофотометры различают по точности измерения и по техническим возможностям. Типы спектрофотометров определяются задачами цветового управления. К примеру, когда нужно измерить образцы с флуоресцентными колорантами либо с оптическим отбеливателем, тогда нужно применить прибор, геометрия измерения которого сферическая, источник освещения импульсный и есть устройство калибровки ультрафиолетовой составляющей в спектре излучения спектрофотометра.

Чтобы измерять образцы на пропускание (жидкость либо пленочка), нужно применять прибор, геометрия измерения которого сферическая и есть возможность измерять пропускание света (общее либо направленное).

Когда спектрофотометр нужен только для контролирования цвета (не нужен расчет рецепта цветов), то возможно применять прибор с угловой геометрией (45/0 либо 0/45). Но, когда важно контролировать цвет и рассчитывать цветовой рецепт, то обязательно нужен прибор, геометрия цвета которого сферическая (D/8).

Специалисты маркетинга применяют спектрофотометры, чтобы оценивать качество цвета товара и упаковки, а также для описания в количественном эквиваленте впечатлений людей, которые появляются благодаря органам зрения. Спектрофотометры используют, чтобы измерять численные различия в цвете эталона и образца товара, и чтобы создавать рецепты красок.

Используют спектрофотометры при изготовлении пищевых продуктов, чтобы определять цвет готового изделия, которую будут употреблять в пищу.

Данные приборы необходимы и на предприятиях, выпускающих пластмассы, ткани, лакокрасочные материалы, косметическую продукцию.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что: спектрофотометры могут различаться конфигурацией и измерительной геометрией. От области применения зависит выбор типа прибора.

материалы по теме

Лоренсвилль, штат Нью-Джерси - Международный лидер в сфере решений уравнивания цветом и технологий коммуникации цвета Datacolor® на днях оповестил о выпуске портативного спектрофотометра Datacolor 20D, специально спроектированного для ритейлерских торговых центров лакокрасочных товаров и хозяйственных магазинов. В комбинации с новым программным продуктом Datacolor PAINT v. 2.x, Datacolor 20D предоставляет лучшую в отрасли точность цветового равенства в применении красок и покрытий. Этот очень точный спектрофотометр дает лучшее цветовое совпадение с первого измерения на рынке, повышая производительность, экономию средств и удовлетворенность клиентов.

В режиме калибровки оператор с пульта вводит нормированные значения, приписанные данному калибровочному раствору, последовательно подает в кюветное отделение калибровочные растворы и проводит измерения.

В режиме анализа оператор устанавливает в кюветное отделение кювету с исследуемым раствором и проводит измерение.

Рис. 3.31. Обобщенная структурная схема одноканального колориметра. 1 - источник световой энергии; 2 - диафрагма; 3 - оптическая система; 4 - полосовой фильтр; 5 - оптическая система; 6 - кювета; 7 - фотоприемник; 8 - аналого-цифровой преобразователь; 9 - микро-ЭВМ; 10 - индикатор; 11 - пульт оператора;

12 - интерфейс связи с внешней ЭВМ и регистрирующим устройством

Рис. 3.32. Упрощенная оптическая схема однолучевого спектрофотометра. 1 - монохроматор (источник монохроматического излучения световой энергии на длине волны \\, 2 - кювета с исследуемым раствором; 3 - детектор (фотоприемник); Ф„ - падающий поток световой энергии; Ф - поток световой энергии, прошедший через раствор, поглощающий часть энергии

Рис. 3.33. Обобщенная структурная схема одноканального спектрофотометра.

1 - источник световой энергии (видимая область);

2 - поворотный отражатель; 3 - источник световой энергии (ультрафиолетовая область); 4 - оптическая система, направляющая поток энергии на входную щель; 5 - входная щель; 6 - оптическая система, формирующая параллельный поток световой анергии;

7 - диспергирующий элемент (призма или дифракционная решетка); 8 - оптическая система, направляющая поток энергии на выходную щель; 9 - выходная щель; 10 - оптическая система, формирующая поток энергии, проходящий через кювету; 11 - кювета; 12 - фотоприемник; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - микро-ЭВМ; 15 - индикатор;

16 - пульт оператора; 17 - интерфейс связи с внешней ЭВМ и регистрирующим устройством

Если у прибора отсутствует режим автоматической калибровки, то оператор строит граду-ировочный график зависимости оптической плотности и нормированных значений, приписанных калибровочным растворам.

Спектрофотометры

Основное отличие спектрофотометра от фотоколориметра состоит в возможности пропустить через исследуемый образец световой поток любой требуемой длины волны, проводить фотометрические измерения, сканируя (просматривая) весь диапазон длин волн не только видимого (V1S) света - от 380 до 750 нм, но и ближнего ультрафиолета (UV) - от 200 до 380 нм.

Последнее обстоятельство не исключает целесообразности выпуска недорогих спектрофотометров, не "имеющих источника ультрафиолетового излучения и работающих только в видимой части оптического диапазона волн.

Целью упомянутого и очень важного режима работы спектрофотометров - режима сканирования - является построение спектральной кривой поглощения (абсорбции) и нахождение на ней пиков, а также исследование процессов интерференции и поиск ложных пиков, приводящих к ошибочным результатам при спектро-фотометрических исследованиях.

Основные компоненты однолучевого спектрофотометра показаны на рис. 3.32.

Принцип работы спектрофотометра. Полихроматический свет от источника проходит через монохроматор, который разлагает белый свет на цветовые компоненты. Монохроматическое излучение с дискретным интервалом в несколько нанометров проходит через ту часть прибора, где располагается образец с исследуемой пробой.

Источник света. Спектрофотометр UV/VIS (ультрафиолет + видимый свет) имеет два источника света: для видимого участка спектра и источник ультрафиолета - от 100 до 390 нм.

Источником видимого света служит вольфрамовая, как правило, галогенная лампа, дающая постоянный поток света в диапазоне 380- 950 нм, являясь стабильным и долговечным источником световой энергии со средним сроком службы более 500 ч.

В качестве источника УФ используются водородные или дейтериевые лампы. Ультрафиолетовые лампы, содержащие дейтерий, имеют высокую интенсивность излучаемого потока и непрерывный спектр в диапазоне от 200 до 360 нм.

Устройство и принцип работы спектрофотометра

На рис. 3.33 представлена обобщенная структурная схема спектрофотометра.

Рассмотрим взаимодействие и функциональное назначение элементов структурной схемы.

Электронный прибор, с помощью которого определяется состав веществ и их соединений в эмульсиях, взвесях и растворах называется медицинским спектрофотометром. Устройство имеет два наиболее известных названия: фотоэлектрический фотометр и фотоэлектроколориметр. Спектрофотометры используются в различных сферах, но больше всего они нашли свое применение в медицине и фармацевтике. Приборы отличаются высокой точностью и позволяют сэкономить реактивы и время на проведения исследования.

Особенности спектрофотометров

Самые первые фотометры нуждались в участии медицинского работника для проведения исследования. Специалист должен был сравнивать и фиксировать полученные с устройства показатели. Данные сопоставлялись с общепринятыми нормативами. На смену таким приборам пришли автоматизированные фотоэлектроколориметры.

Спектрофотометры – это современное медицинское оборудование, которое предназначается для изучения и анализа свойств предметов либо веществ с помощью электромагнитного излучения. Световые лучи проходят сквозь пробу или отражаются от нее. Прибор сравнивает поток света, который первоначально направляется на биоматериал с излучением, проходящим сквозь образец либо отражающим от его поверхности.

Для проведения анализа сканируется широченный диапазон волн: начиная от 160 нм (ультрафиолет), заканчивая 3300 нм (инфракрасные лучи), с помощью чего получается максимально точная информация о веществе.

Спектрофотометрическая методика основана на том, что каждый предмет обладает особенными спектральными характеристиками. Именно поэтому во время проведения анализа не играет роли температурный режим и агрегатное состояние образца. Особенностью спектрофотометра является возможность проведения качественных и количественных исследований.

Главным плюсом фотоэлектрического фотометра есть вывод полученной информации на дисплей (лаборант может увидеть состав пробы, наличие и численность примесей). С помощью специальных световых фильтров устройство определяет в образце не менее 3-5 составляющих компонентов.

Сферы применения

Спектрофотометры используются для исследований в биохимии (анализируются липиды, электролиты, субстраты, ферменты), иммунохимии (проводится анализ ламбда, ферритин, миоглобин, микроальбумин, гаптоглобин), бактериологии. Для анализа качества еды и воды (сточной, природной и питьевой) применяется фотоэлектроколориметр. При определении качественных характеристик воды определяется мутность и цвет жидкости, наличие тяжелых металлов и поверхностно-активных компонентов, содержание нитритов, фосфатов, фенолов и сульфатов.

Спектрофотометр пригодится для проведения научных, гормональных, экологических и специальных исследований. В отделениях санитарно-эпидемиологического надзора обязательным является наличие данного прибора. Кроме медицины оборудование используется в сельском хозяйстве и промышленной отрасли.

Фотоэлектрический фотометр нужен для:

• выявления чистоты исследуемых образцов и нахождения примесей;
• измерения в жидкостях оптической плотности и ее изменений;
• определения концентрации пробы (исследование проводится в медицинских учреждениях);
• изучения, анализа состава и химического строения веществ, образцов и реактивов;
• спектральной диагностики.

Фотоэлектроколориметр – это устройство, которое применяется для проведения различных исследований: медицинских; биологических; фармацевтических; химических. Благодаря точным результатам, которые появляются на экране оборудования, доктор может узнать характеристику реагентов и назначить пациенту эффективное лечение.

Как устроен прибор?

Абсолютно все автоматизированные фотоэлектроколориметры состоят из: источника света (вольфрамовой, дейтериевой или галогено-дейтериевой лампы); усилителя сигналов; фотоприемника; монохроматора; оптических составляющих (световодов, зеркала, призмы и стекла); отсека для реагента.

Монохроматор содержит дифракционную решетку либо призму, которые выделяют излучение определенной длины волны. В различных моделях есть от одного до четырех отсеков для проб. С помощью фотоприемников спектрофотометр фиксирует уровень светового излучения, который проходит сквозь биологический материал.

Наиболее современные приборы укомплектованы фотодиодной матрицей, в состав которой входит встроенный датчик. Чип преобразует световой сигнал в электрический, это фиксируется микроконтроллером и высвечивается на мониторе оборудования. Не достаточно мощные приборы обрабатывают волны с различной длиной постепенно, и только потом выводят результаты на дисплей. От количества фотодиодных датчиков зависит производительность и информативность спектрофотометра.

С помощью приборов с фотодиодной матрицей можно проводить оперативные исследования не отходя от производства либо во время возникновения химической реакции. Это позволяет детально проанализировать состояние реакционных веществ.

Особенности работы устройства

Спектрофотометрическая методика основана на измерении степени отражения или поглощения монохроматических световых лучей. Во время исследования посторонние факторы не могут влиять на результативность анализа. Все приборы работают на двух разновидностях схем. В первом случае на пробу попадает монохроматический световой луч с определенной длиной волны, который после прохождения через образец направляется на фотоприемник, измеряющий разницу между потоками.

Суть второй схемы заключается в том, что на реагент попадает световой поток прямо от лампы, затем монохроматор выделяет небольшой пучок и направляет его к фотоприемнику.

Спектрофотометры бывают однолучевыми и двухлучевыми. В приборах с одним лучом для измерения применяются коэффициенты коррекции. В случае двухлучевой диагностики один луч попадает на пробу, а второй – на эталонное значение. Оборудование с двумя лучами более точное, информативное и менее чувствительное к окружающим факторам.

Правила выбора спектрофотометра

При подборе устройства необходимо учитывать сферу его применения и выполняемые задачи. Фотоэлектрические фотометры бывают переносными и стационарными. Портативные аппараты имеют небольшой вес, компактные и легкие в использовании. Стационарные приборы устанавливаются в медицинских учреждениях и диагностических центрах. С помощью этих устройств проводятся более сложные измерения. Такие спектрофотометры могут подключаться к персональному компьютеру с помощью кабеля, а полученные данные подлежат архивированию, обработке и распечатке на принтере.

При выборе медицинского аппарата нужно учитывать: спектр действия (диапазон); длину волны; многофункциональность устройства; габариты; цену; вероятность проведения определенных исследований; количество секций для реагентов; способ получения результатов. Также необходимо обратить внимание на штатную комплектацию модели спектрометра, потому как практически все современные приборы продаются с кюветом и чашкой Петри.

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.

Похожие статьи