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

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.

Спектрофотометр СФ-46 предназначен для выполнения спектрофотометрических измерений в области 190 – 1100 нм. С его помощью можно измерить спектральные зависимости коэффициентов пропускания, оптической плотности твердых и жидких образцов, скорость изменения оптической плотности, определить концентрацию раствора в случае линейной зависимости оптической плотности от концентрации.

Блок-схема спектрофотометра представлена на рис. 1.

Рис. 1 Блок-схема спектрофотометра СФ-46

1 – осветитель; 2 – монохроматор; 3 – кюветное

отделение; 4 блок приемно-усилительный;

5 – микропроцессорная система

1 Оптическая схема

Излучение от источника 1 (рис. 2) или 1’ падает на зеркальный конденсор 2, который направляет его на плоское поворотное зеркало 3 и дает изображение источника излучения в плоскости линзы 4, расположенной вблизи входной щели 5 монохроматора.

Монохроматор построен по вертикальной автоколлимационной схеме.

Прошедшее через входную щель излучение падает на вогнутую дифракционную решетку 6 с переменным шагом и криволинейным штрихом. Дифракционная решетка, помимо диспергирующих свойств, обладает свойством фокусировать спектр. Применение переменного шага и криволинейного штриха значительно уменьшает аберрационные искажения вогнутой дифракционной решетки и позволяет получить высокое качество спектра во всем рабочем диапазоне.

Дифрагированный 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, линзу 8, контрольный или измеряемый образец, линзу 9 и с помощью поворотного зеркала 10 падает на светочувствительный слой фотоэлемента 11 или 12.

Для уменьшения рассеянного света и срезания высших порядков дифракции в спектрофотометре используются два светофильтра: из стекла ПС11 для работы в области спектра 230 – 450 нм и из стекла ОС14 для работы в области спектра 600 – 1100 нм. Смена светофильтров производится автоматически.

Линзы изготовлены из кварцевого стекла с высоким коэффициентом пропускания в ультрафиолетовой области спектра

Рис. 2 Оптическая схема спектрофотометра СФ-46

Для обеспечения работы спектрофотометра в широком спектральном диапазоне используются два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерений в области спектра от 190 до 700 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент – для измерений в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указана в паспорте спектрофотометра.

Дейтериевая лампа предназначена для работы в области спектра от 190 до 350 нм, лампа накаливания – для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Для проверки градуировки используется ртутно-гелиевая лампа ДРГС-12.

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.

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.

Спектрофотометрия — это метод, с помощью которого измеряют химический состав изучаемого вещества. Спектрофотометр пропускает через образец поток световых лучей любой длины и диапазона.

Образцом в данном случае выступает раствор изучаемого вещества в жидкости, размещенный в прозрачном для излучения кювете. Причем спектрофотометры выпускаются как с наличием источника УФ - лучей, инфракрасных лучей, так и работающие в оптическом диапазоне, который виден человеку.

С помощью этого прибора измеряют отношение двух потоков оптического излучения. Один поток падает на исследуемый образец, а другой поток испытывает какое - либо взаимодействие с данным образцом. Спектрофотометр производит измерения для различных длин волн оптического излучения. В результате этих операций получается спектр отношений потоков. Данные приборы используются в медицине и в промышленной отрасли для контроля технологических процессов. С помощью спектрофотометра определяют состав и наличие примесей в различных жидкостях, таких как медицинские растворы, вода, продукты нефтяной и химической промышленности, продукция лакокрасочного производства.

Как устроен спектрофотометр

Оптическая схема простейшего спектрофотометра приведена на рисунке. В качестве источников излучения в приборах наиболее широко используются газоразрядная водородная лампа и вольфрамовая лампа накаливания.

Газоразрядная водородная лампа обеспечивает сплошной спектр в ультрафиолетовой области и особенно удобна для измерений от 200 до 350 нм.

Вольфрамовая лампа накаливания используется для работы в ближней ультрафиолетовой области, видимой и ближней инфракрасной области, т. е. в пределах от 320 до 3000 нм. Ртутные лампы обеспечивают очень высокую интенсивность в ультрафиолетовой и видимой областях, давая интенсивную линию спектра ртути и сплошное излучение. Ртутные лампы необходимо нагревать в течение 15 минут, прежде чем они начнут давать постоянное излучение.

Недостатком является высокая температура, которую ртутная лампа приобретает при работе.

Ксеноновые разрядные лампы применяются в ряде приборов для измерений в области от 200 до 900 нм.

Монохроматор - приспособление для изолирования очень узкой полосы излучения из источника света. Смешанное излучение проходит через щель в монохроматор, в котором луч разделяется на спектр при помощи призмы или дифракционной решетки. Этот спектр фокусируется на выход щели. Путем вращения призмы или дифракционной решетки можно выделить определенную часть спектра, которая через щель направляется в кюветное отделение, где находится раствор исследуемого вещества.

Классификация спектрофотометров

Учитывая назначение и конструкцию спектрофотометров, их можно разделить на три группы: простые, двуволновые, приборы с фотодиодной решеткой.

Эти приборы могут быть стационарными (самый популярный - ). Такие виды эксплуатируются только в лабораториях для проведения различных технологических процессов.

Второй вид спектрофотометров — портативный, который предназначен для работы в полевых условиях и в различных помещениях. Портативные приборы могут быть применены для небольшого узкого круга применяемых методик измерений.

Современный рынок лабораторного оборудования большим ассортиментом спектрофотометров. Они отличаются друг от друга строением оптических систем, функциональными возможностями и, конечно, .

Выбирая такой прибор необходимо определиться с ценой и моделью, которая поможет быстро и качественно решить поставленные задачи.

В этой поговорим о принципах работы спектрофотометров; о том, где их применяют и как выбрать спектрофотометр, если он вам нужен.

Принцип работы спектрофотометров

Методы спектрометрии основаны на измерении степени поглощения (отражения) монохроматического светового потока - в этом случае влияние посторонних факторов сведено к минимуму, увеличивается чувствительность и точность приборов.

Различают две основные конструкции спектрофотометров: однолучевые и двухлучевые. В двухлучевом спектрофотометре один луч падает на исследуемый образец, а второй - на эталон. В однолучевом приборе измерения проводятся с помощью коэффициентов коррекции. Двухлучевые спектрофотометры более точные, позволяют добиться высокой степени повторяемости результатов, они менее чувствительны к изменению параметров окружающей среды.

Применение спектрофотометров

Спектрофотометры применяются, в основном, для:
- определения концентрации веществ в медицине, биологических исследованиях, в аналитической химии, фармацевтике;
- измерения в растворах оптической плотности и скорости ее изменения;
- распознавания веществ, для определения чистоты веществ (наличия примесей);
- изучения химического строения и состава веществ, химических реактивов , различных образцов;
- оценки цвета в полиграфии, в промышленности (лакокрасочной, текстильной, химической, пищевой, косметической и т. п.);
- спектрального анализа в научных исследованиях, в астрономии, физике, биологии.

Как выбрать спектрофотометр

Выбирая спектрофотометр, нужно заранее определить для себя основные параметры, необходимые для решения стоящих задач. Все приборы можно разделить на две большие группы:
- портативные;
- стационарные.

Портативные обладают небольшим весом и компактными размерами, их можно брать с собой на выезд, они подходят для оперативных измерений на производстве. Стационарные приборы предназначены для установки в лабораториях, они позволяют производить более точные и сложные измерения. Подобные спектрофотометры могут иметь интерфейс для подсоединения к компьютеру, для архивирования, распечатки, обработки данных.

Из технических параметров, существенных для химического анализа*, следует учесть:
- спектральный диапазон;
- точность выбора длины волны;
- характеристику повторяемости результатов (величина, указывающая близость серии результатов изучения одного и того же образца по одной и той же методике, одним лаборантом, на одном приборе, в одной лаборатории);
- функциональность прибора, возможность проведения тех или иных измерений, получения результатов в удобном виде;
- стоимость (зависит от функциональности и величины воспроизводимости результатов);
- габариты и вес, если речь идет о мобильном устройстве;
- габариты отделения для образцов, если речь идет о стационарном устройстве; оно должно подходить для ваших образцов.

Дополнительно можно принять во внимание наличие в штатной комплектации различных аксессуаров, например, например, кювет и чашек Петри.

Обращаем ваше внимание, что в магазине «ПраймКемикалсГрупп» вы можете купить спектрофотометр КФК-3-01-«ЗОМЗ» - функциональное оборудование по доступной цене. Также в продаже чашки Петри , другая лабораторная посуда и техника. Имеется доставка.
s______________
* Для цветометрических измерений существенными являются другие параметры спектрофотометра.