Спектрофотометрия – экспериментальный метод, который позволяет измерить концентрацию растворенных веществ по количеству поглощаемого раствором света. Высокая эффективность данного метода обусловлена тем, что различные соединения по-разному поглощают свет с той или иной длиной волны. По количеству прошедшего сквозь раствор света можно выяснить, какие соединения присутствуют в растворе, и определить их концентрации. В лабораториях для этого используют специальный прибор – спектрофотометр.

Шаги

Часть 1

Подготовка образцов

Включите спектрофотометр. Большинству спектрофотометров необходим предварительный разогрев – это помогает получить более точные результаты. Включите прибор и подождите хотя бы 15 минут, прежде чем приступать к измерениям.

• Используйте время разогрева прибора для подготовки образцов.

1. Помойте кюветы и пробирки. При выполнении лабораторной работы в школе вам могут выдать одноразовые пробирки, которые не нужно чистить. Если же вы используете многоразовые кюветы или пробирки, перед работой их необходимо как следует вымыть. Тщательно помойте всю посуду деионизированной водой.

   Залейте в кювету требуемое количество исследуемой жидкости. Максимальный объем некоторых кювет составляет 1 миллилитр (мл), в то время как пробирки могут быть рассчитаны на 5 миллилитров. Для получения точных результатов необходимо, чтобы луч лазера проходил через жидкость и не задевал пустую часть емкости.

   Приготовьте контрольный раствор. Контрольный, или холостой раствор представляет собой чистый растворитель, без присутствующих в других образцах примесей. Например, если вы растворили в воде соль, в качестве холостого раствора следует взять простую воду. Если при этом вы окрасили воду в красный цвет, в качестве холостого раствора также необходимо взять красную воду. Холостой раствор должен иметь тот же объем, что и исследуемые растворы, и его следует налить в такую же емкость.

   Протрите наружную поверхность кюветы. Прежде чем поместить кювету в спектрофотометр, необходимо убедиться, что она чистая, иначе частицы грязи и пыли могут исказить результаты. Протрите безворсовой тканью стенку кюветы снаружи, чтобы удалить возможные капли воды и частички пыли.

   Часть 2

   Проведение эксперимента

   1. Выберите и задайте длину волны света для анализа образцов. Для большей точности используйте свет с одной длиной волны (монохроматический свет). Необходимо выбрать такую длину волны, чтобы свет поглощался одним из соединений, которое предположительно входит в состав исследуемого раствора. Выставьте выбранную длину волны на спектрофотометре в соответствии с инструкциями по эксплуатации прибора.

      Откалибруйте прибор по холостому раствору. Поместите в держатель спектрофотометра кювету с холостым раствором и закройте крышку прибора. Аналоговые спектрофотометры снабжены шкалой со стрелкой, угол отклонения которой определяется интенсивностью прошедшего света. В случае холостого раствора стрелка отклонится вправо. Запишите показания прибора на случай, если они понадобятся вам в дальнейшем. Затем переведите стрелку в нулевое положение с помощью ручки настройки (при этом холостой раствор должен по-прежнему оставаться в приборе).

      • Цифровые спектрофотометры вместо шкалы снабжены дисплеем, и их можно откалибровать таким же образом. Установите ноль для холостого раствора с помощью кнопок настройки.
      • Калибровка сохранится и после того, как вы достанете холостой раствор. При работе с остальными образцами свет, который поглощается беспримесным растворителем, будет автоматически вычитаться из показаний прибора.

   2. Достаньте кювету с холостым раствором и проверьте калибровку. В отсутствие холостого раствора стрелка должна остаться на нулевой отметке (или на дисплее должен сохраниться ноль). Вновь поместите в прибор холостой раствор и убедитесь в том, что спектрофотометр по-прежнему показывает ноль. При правильной калибровке прибор должен показывать ноль и с холостым раствором, и без него.

      • В случае ненулевых показаний прибора повторите калибровку с холостым раствором.
      • В случае дальнейших проблем попросите о помощи или обратитесь к обслуживающему прибор техническому персоналу.

   3. Измерьте оптическую плотность экспериментального образца. Достаньте из прибора холостой раствор и поместите в него исследуемый образец. Подождите примерно 10 минут, пока стрелка не успокоится или пока не перестанут изменяться цифры на дисплее. После этого запишите значение коэффициента пропускания и/или оптической плотности.

      • Чем больше света проходит через образец, тем меньше света он поглощает. Обычно записывают значения оптической плотности, которые имеют вид десятичной дроби, например 0,43.
      • Повторите измерения для каждого образца по меньшей мере три раза и найдите средние значения. Таким образом вы получите более точные результаты.

   4. Повторите эксперимент для других длин волн. Образец может содержать несколько неизвестных примесей, которые поглощают свет при разной длине волны. Чтобы исключить неопределенность, повторите измерения с шагом 25 нанометров для всего спектра. Это позволит вам определить другие соединения, которые входят в состав изучаемого раствора.

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.

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.

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.

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 колориметра фотоэлектрического концентрационного КФК-2 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 100-5% (D = 0-1,3). Основная абсолютная погрешность измерения пропускания 1%.

Принципиальная оптическая схема фотоколориметра КФК-2 представлена на рис. 2.2.

Свет от галогенной малогабаритной лампы (1) проходит последовательно через систему линз, теплозащитный (2), нейтральный (3), выбранный цветной (4) светофильтры, кювету с раствором (5), попадает на пластину (6), которая делит световой поток на два: 10% света направляется на фотодиод при измерениях в области спектра 590-540 нм) и 90% - на фотоэлемент (при измерениях в области спектра 315-540 нм).

Характеристики светофильтров представлены в табл. 2.1.

Фотометр фотоэлектрический КФК-3 предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных жидкостных растворов и прозрачных твердых образцов, а также для измерения скорости изменения оптической плотности вещества и определения концентрации вещества в растворах после предварительной градуировки фотометра. Принципиальная оптическая схема фотометра КФК-3 представлена на рис. 2.3.

Нить лампы (1) изображается конденсором (2) в плоскости диафрагмы Д1 (0,8 х 4,0), заполняя светом щель диафрагмы. Далее диафрагма Д1 изображается вогнутой дифракционной решеткой (4) и вогнутым зеркалом (5) в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д 2 (0,8 х 4,0). Дифракционная решетка (6) и зеркало создают в плоскости диафрагмы Д 2 растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси параллельной штрихам решетки, выделяют щелью диафрагмы Д 2 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 Д1 установлен световой фильтр (3), который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315-400 нм, а затем автоматически выводится. В кюветное отделение (между объективом 7, 8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы (9).

Фотометр предназначен для применения в сельском хозяйстве, медицине, на предприятиях водоснабжения, в металлургической, химической, пищевой промышленности и других областях. Пределы измерения коэффициента пропускания - 0,1-100%, оптической плотности - 0-3%.

Спектрофотометр СФ-46 предназначен для измерения спектральных коэффициентов пропускания жидких и твердых веществ в области спектра от 190-1100 нм.

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

Диапазон измерения спектральных коэффициентов пропускания от 1 до 100%.

Абсолютная погрешность измерения не превышает 1%, а стандартное отклонение пропускания - не более 0,1%.

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

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 UТ, U 0 и U, пропорциональные темновому току фотоэлемента, 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

Значение измеренной величины высвечивается на цифровом фотометрическом табло.

На рис. 2.4 представлена структурная схема, а на рис. 2.5 - оптическая схема спектрофотометра СФ-46.

Излучение от источника (1 или Г) 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 исследуемый 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 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.