Спектрофотометри

Для вимірювання спектрів використовують спектральні прилади-спектрофотометри, що складається з: джерела випромінювання, диспергированого елемента, кювети з досліджуваною речовиною, реєструючого пристрою.

Основна характеристика спектрофотометрів: точність визначення довжини хвилі випромінювання і величини пропускання, роздільна здатність і світлосила, час сканування спектра. Спектрофотометри, зазвичай, забезпечуються набором приставок для отримання спектрів відбивання, роботи з зразками при низьких і високих для вимірювання характеристик джерел і приймачів випромінювання і т.п.

Спектрофотометр сф – 46

Однопроменевий спектрофотометр СФ-46 із вмонтованою мікропроцесорною системою (рис. 2.16, 2.17) призначений для вимірювання пропускання, оптичної густини рідких і твердих речовин в області 190 - 1100 нм. Елементом диспергування є дифракційна решітка з перемінним кроком і криволінійним штрихом (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Блок - схема спектрофотометра СФ - 46

Джерела і приймачі випромінювання ті самі, що і в приладі СФ - 26.

У спектрофотометрі забезпечені наступні режими роботи: вимірювання пропускання Т, оптичної густини Д, концентрації С, швидкості зміни оптичної густини (рис. 2.15).

Принцип вимірювань – загальний для всіх однопроменевих спектрофотометрів.

Рис. 2.16. Зовнішній вигляд спектрофотометра СФ - 46

1 - монохроматор; 2 - мікропроцесор; 3 - кюветне відділення; 4 - освітлювачі;

5 - камера з фотоприймачами і підсилювачами; 6 – ручка обертання дифракційної гратки; 7 - шкали довжин хвиль

Рис. 2.17. Спектрофотометр СФ-46

Спектрофотометр сф – 14

Реєструючі двопроменеві спектрофотометри СФ - 10, СФ - 14 та СФ - 18 призначені для вимірювання пропускання (оптичної густини) прозорих і каламутних середовищ та коефіцієнтів дифузного відображення твердих і порошкоподібних речовин у видимій області спектра. Спектрофотометри складаються з освітлювача, подвійного призмового монохроматора, фотометра поляризаційного типу, приймально - підсилюючої частини і записуючого механізму.

Зовнішній вигляд спектрофотометра СФ-14 приведений на рис. 2.17. На платі (5) змонтована кюветна камера (4) для розміщення прозорих зразків, що вимірюються на пропускання, і інтегруюча куля (8).

Для вимірювання коефіцієнтів пропускання рідин є набір парних кювет з товщиною шару 5, 10, 20 і 50 мм.

Тверді прозорі зразки і кювети з рідиною поміщають у спеціальні тримачі, виконані у вигляді тисків, і затискають гвинтом. Тримач з досліджуваним розчином вставляють у направляючу правої частини (по ходу променів) кюветного відділення, а стандартний розчин поміщають ліворуч.

Рис. 2.17. Зовнішній вигляд спектрофотометра СФ - 14

1- освітлювач з кожухом; 2 - барабан з бланком для запису спектрів; 3 - перо;

4 - кюветна камера; 5 - плата на якій змонтована кюветна камера; 6 - ручки регулювання положення екранів, що запобігають попаданню світла на фотоелемент;

7 – кювета для порошків, що вимірюються на відображення; 8 - інтегруюча куля;

9 - кишені; 10 – регулятор швидкості розгортання спектра

Порошки, що вимірюються на відображення, поміщають у кювету (7), розташовану на місці правого по ходу променів еталона. Для виключення дзеркальної складової відображення є кишені (9), які можна встановити в бокові отвори кулі замість заглушок.

Всередині кулі знаходяться два екрана, призначені для запобігання попадання світла від зразка безпосередньо на фотоелемент при вимірюванні абсолютних значень коефіцієнтів дифузного відображення - нижній екран і пропускання - верхній екран (за методом Тейлора). Для вмикання екранів необхідно відтягнути ручку (6).

Вимірювання абсолютних значень коефіцієнтів дифузного відображення або пропускання зводиться до наступного.

Спочатку записують лінію 100% - го пропускання при нейтральному положенні екранів відносно світлових потоків; при цьому ручки (6) всунуті в кулю. Потім замість еталона до вікна кулі в робочий потік поміщають зразок, що вимірюється на відображення. Відтягнувши нижню ручку (6) до упора, екран ставлять у положення, при якому пряме світло від зразку не попадає на фотоелемент. Наступний запис дає значення абсолютного коефіцієнта дифузійного відображення зразку за спектром.

При вимірюванні абсолютних значень коефіцієнтів дифузного відображення зразок поміщають у праве по ходу променів вхідне вікно кулі, за допомогою ручки (6) установлюють верхній екран, нижній екран при цьому повинний займати нейтральне положення відносно світлових потоків.

Результати всіх вимірювань автоматично записується на спеціальному бланку (2), що має вигляд сітки, по вісі абсцис якої нанесена рівномірна шкала довжин хвиль від 400 до 750 нм із ціною поділок 2 нм, а по вісі ординат - рівномірна шкала оптичної густини від 0 до 2,5 з ціною поділок 0,0125 і пропускання (відображення) від 0 до 100% з ціною поділок 0,5%.

Спектрофотометр СФ-14 має два діапазони виміру пропускання (0-100% і 0-10%) і два діапазони виміру оптичної густини (0-2,5 і 0-1,0), що дозволяє підвищити чутливість і точність вимірювань. Тривалість запису - 2 - 4,5 хв.

Спектрофотометри мають похибку визначення ±1%.

Нині існує багато спектрофотометрів нового покоління (рис.2.18…2.20)

Рис. 2.18. СФ – 56 Рис. 2.19. СФ-2000

Рис.2.20. Спектрофотометр Cary 6000

УФ – спектрометрія

Фотоколориметричні вимірювання мають велику похибку (до 5 %), так як у фотоколориметрах світлові потоки мають широку смугу спектра - 40-80 нм і не є хроматичними. Більш точно аналіз проводять на спектрофотометрах, у яких світловий потік, пройдений через кювету, має одну довжину хвилі (монохроматичний). Розклад білого світла в спектр на спектрофотометрах здійснюється за допомогою призм, (або дифракційних ґраток). Повертаючи призму, на кювету з розчином через щілину можна направити світлові промені різної довжини хвиль (рис. 2.21). Поглинання розчинів речовин на спектрофотометрах вимірюють при довжині хвилі максимуму поглинання. Це дозволяє аналізувати суміші речовин, які мають максимуми поглинання при різних довжинах хвиль. Широке поширення набули УФ - спектрофотометри типів СФ-4А, СФ-16; СФ-26 з кварцовою оптикою, які не здатні до реєстрації а результат спостерігають за шкалою приладу візуально.

Розрахунок концентрацій речовин за даними поглинання, отриманих на спектрофотометрі, здійснюють за допомогою калібрувальних графіків або за законом Бугера, якщо відома величина молярного або питомого поглинання. Багато речовин характеризуються максимумом поглинання і величиною молярного або питомого поглинання, наприклад, К₂Сr₂О₇ (λ = 455 нм, Е_1% = 1800, вода, 0,9 н. Н₂SO₄).

Рис. 2.21. УФ - спектрофотометр

1 – ручка встановлення довжини хвиль; 2 – обертаюче дзеркало; 3 – призма;

4 – дзеркало; 5 - стабілізатор; 6 – фотоелемент; 7 – підсилювач; 8 – ручка встановлення відлікового потенціометра; 9 – кювета; 10 – ручка встановлення ширини щілини

Розчинники, які застосовують для спектрофотометричних визначень, мають певні межі пропускання, обмежені власним поглинанням розчинника, наприклад, нижній поріг пропускання води 200 нм, етанолу - 210 нм. Спектроскопія в УФ - і В - області набула широкого поширення для вивчення структури (якісної ідентифікації) речовин і їх кількісного визначення.