Спектрофотометрия

В спектрофотометрическом методе поглощение света измеряют при строго определенной длине волны, которая соответствует максимуму поглощения данного окрашенного соединения (монохроматическое излучение). Спектрофотометрический метод имеет более широкие возможности, так как при нем можно проводить измерения в «невидимых» областях излучений: ультрафиолетовой (длина волны от 180 до 350 нм) и ближней инфракрасной (длина волны от 760 до 1100 нм).

Спектрофотометр СФ-16

Используется для измерения оптической плотности растворов окрашенных соединений в монохроматическом свете. Состоит из четырех основных частей (рис. 106): в корпусе 1 размещены монохроматор с фотометрической частью, кюветная камера 7, камера с детекторами и усилителем 11 и осветитель с источниками освещения 6. В комплект прибора входит электронный стабилизатор.

На рис. 107 представлена оптическая схема спектрофотометра СФ-16. Свет от лампы 1 падает на вогнутое зеркало-конденсор 2, которое собирает и направляет пучок лучей на плоское вращающееся зеркало 3. Через защитную кварцевую пластинку 4 свет проходит через входную щель монохроматора 5. Зеркальный объектив 6, в фокусе которого расположена щель, отражает параллельный пучок лучей на кварцевую диспергирующую призму 7 с отражающей задней гранью. Свет разлагается призмой в спектр и затем обратно направляется на зеркальный объектив 6. Путем поворота призмы 7 вокруг своей оси получают на выходной щели монохроматора 8 пучок лучей различной длины волны. Монохроматический пучок света проходит кварцевую линзу 9, светофильтр 10, кювету с раствором 11, линзу 12 и падает на светочувствительный слой фотоэлемента 13. Возникающий в фотоэлементе под действием световой энергии ток усиливается и регистрируется миллиамперметром (прибор-индикатор). Интенсивность поглощения света анализируемым раствором измеряют относительно поглощения в «холостом опыте», принятого равным нулю.

Спектрофотометр СФ-16

Прибор имеет четыре источника излучения: дейтериевую (185-200 нм), водородную (200-350 нм), вольфрамовую (320-1100 нм) и ртутную лампы. Последняя служит для проверки градуировки шкалы длин волн. Все лампы помещаются в осветителе 6 (см. рис. 106), имеющем два цоколя. В один цоколь устанавливают поочередно водородную, дейтериевую и ртутную лампы; вольфрамовую лампу накаливания устанавливают во втором цоколе. Излучение от той или иной лампы, имеющее определенный интервал длин волн, направляется на входную щель монохроматора зеркалом-конденсором, находящимся между лампами, поворот которого происходит с помощью рукоятки 22 (см. рис. 106). Держатель любой лампы имеет свой механизм юстировки. Ламповые держатели и стойка с конденсором крепятся на отдельном кронштейне, жестко связанном с основанием прибора. Лампы сверху закрыты кожухом, в котором есть отверстие с подвесной крышкой для доступа к рукоятке 22 переключения конденсора на ту или иную лампу.

Принципиальная оптическая схема спектрофотометра СФ-16

В качестве детекторов для измерений в широком спектральном интервале используют два фотоэлемента: сурьмяно-цезиевый для области длин волн 186-650 нм и кислородно-цезиевый для области длин волн 600-1100 нм. Прибор включают в сеть переменного тока 220 В. Электропитание всех ламп и усилителя осуществляется от одного и того же блока питания; в нем происходит и стабилизация тока (рис. 108).

Электронный стабилизатор к спектрофотометру СФ-16

В области излучения длин волн 185-200 нм отдельные компоненты воздуха имеют свои характерные полосы поглощения, мешающие измерению. Поэтому оптическую систему прибора продувают азотом в течение 10-15 мин со скоростью 10 л/мин. Азот подают из баллона, скорость подачи газа измеряют с помощью ротаметра. Оптические измерения рекомендуют проводить при непрерывной продувке со скоростью 5 л/мин. Потенциометры чувствительности 15, 16 и темнового тока 17 имеют переключатели на четыре рабочих положения.

К спектрофотометру прилагаются кюветы: стеклянные (прямоугольные с толщиной слоя в 1 см и цилиндрические с различной толщиной слоя) и тефлоновые (рис. 109). Прямоугольные кюветы изготовлены из оптического кварца и могут использоваться для работы в любой области спектра. Для этих кювет имеется специальный металлический держатель с четырьмя гнездами (рис. 110). В одно гнездо держателя устанавливают кювету с раствором сравнения, светопоглощение которого принимается в данном случае равным нулю. В три остальных гнезда помещают кюветы с анализируемыми растворами. Это дает возможность измерять одновременно поглощение трех растворов, если их поглощающая способность сравнивается с одним и тем же раствором сравнения.

Кюветы к спектрофотометру СФ-16

Цилиндрические кюветы представляют собой стеклянные стаканы, закрывающиеся с обеих сторон крышками, кварцевыми или стеклянными, в зависимости от того, в какой области спектра предполагается проводить определение. Стеклянные крышки используют для области от 400 до 1000 нм, они обозначены буквой «С».

В комплект прибора входят 18 цилиндрических кювет (по две штуки с одинаковой толщиной слоя в 4,05; 4,10; 4,20; 4,50; 5,00; 10; 20; 50 и 100 мм). Кюветы вставляются в металлические держатели (см. рис. 110). Точные данные о толщине слоя кювет и их пропускаемости приводятся в аттестате прибора.

Держатели кювет к спектрофотометру СФ-16

Для наполнения цилиндрической кюветы одну из крышек помещают на чистую твердую подставку и сбоку надвигают на нее стакан кюветы. Наполняют кювету раствором до образования выпуклого мениска. Вторую крышку надвигают сбоку так, чтобы в стакане не оставалось пузырьков воздуха, затем кювету осторожно снимают с подставки, придерживая крышки, и вставляют ее в отвинченную крышку металлического держателя, поместив в нее предварительно резиновую прокладку. Сверху помещают вторую резиновую прокладку и навинчивают металлический стакан вместе со второй металлической крышкой.

Кюветы необходимо всегда содержать в чистоте. Сразу же после работы из них следует вылить раствор и промыть их водой. Сильно загрязненные кюветы можно опустить ненадолго в концентрированную азотную кислоту, а затем хорошо прополоскать водой. Кюветы следует проверять на пропускаемость света, наполнив их дистиллированной водой, сопоставляя полученные результаты с данными аттестата.

Порядок работы

К стабилизатору подключают усилитель при установке выключателя 1 (см. рис. 108) на положение «вкл». При этом переключатель 18 (см. рис. 106) должен находиться в положении «выкл». Лампы включают через стабилизатор в следующем порядке: подключают усилитель и лампы к стабилизатору; вынимают из гнезд на стабилизаторе короткозамкнутые вилки и подключают амперметр переменного тока на 2,0-2,5 А к гнездам «ток накала», а миллиамперметр на 500-700 мА - к гнездам «разрядный ток».

Смотря по тому, какую будут использовать лампу, поступают следующим образом. Для вольфрамовой лампы накаливания:

1) проверяют, находится ли выключатель 1 (см. рис. 108) в положении «выкл»;

2) поворачивают рукоятку 2 влево до упора;

3) тумблером 4 требуемую лампу включают в цепь;

4) включают стабилизатор в сеть 220 В с помощью провода 3;

5) ставят выключатель 1 в положение «накал»;

6) нажимают кнопку 5;

7) ждут до установления на миллиамперметре показания 300 мА;

8) ставят выключатель 1 в положение «лампа накал». После этого можно приступать к измерениям.

При использовании водородной, ртутной и дейтериевой ламп проделывают, как описано выше, действия 1-5 (действия 6-8 не делают). Далее: 9) устанавливают рукояткой 2 движок потенциометра в положение, при котором пусковой ток лампы соответствует указанному в паспорте лампы; 10) выжидают 2-5 мин; 11) нажимают кнопку 5; 12) снижают силу тока до рабочего значения, указанного в паспорте лампы, вращая рукоятку 2. После 10 мин прогрева прибора приступают к измерениям.

Для проведения измерений включают лампы и усилитель в электрическую сеть. Далее проводят следующие операции.

1. Устанавливают кюветы с растворами сравнения и анализируемым раствором в кюветную камеру 7 (см. рис. 106) таким образом, чтобы на пути потока излучения был раствор сравнения, закрепляют кюветы прижимом и закрывают крышку кюветной камеры.

2. Рукояткой 10 устанавливают в рабочее положение сурьмяно-цезиевый-Ф или кислородно-цезиевый-К фотоэлемент.

3. Устанавливают переключатель 18 в положение «выкл» и закрывают фотоэлемент, поставив рукоятку 22 в положение «закр».

4. Рукояткой 20 устанавливают по шкале 2 требуемую длину волны, подводя ее со стороны малых значений. Если случайно будет пройдено нужное значение шкалы, то ее необходимо вернуть на 5-10 нм меньше требуемого значения и снова подвести к требуемому значению.

5. Устанавливают рукоятку держателя светофильтров 5 на указатель нужного светофильтра или «воздух».

6. Ставят рукоятку 16 в положение «4». Если нужно проводить измерения с большей чувствительностью и при этом можно пренебречь снижением монохроматичности, работая с широкой щелью, ставят рукоятку 16 в положение «1». Если же проводят измерения при узкой щели, то рукоятку 16 оставляют в положении «4».

7. Компенсируют темновой ток рукоятками 9 и 16 регулировки, подводя стрелку миллиамперметра 4 к нулю.

8. Открывают фотоэлемент постановкой переключателя 8 в положение «откр».

9. Устанавливают стрелку миллиамперметра снова на нулевое значение, изменяя ширину щели рукояткой 14. Более плавно это можно сделать рукояткой потенциометра чувствительности 15.

10. Устанавливают на пути излучения кювету с анализируемым раствором, перемещая каретку с кюветодержателем рукояткой 12.

11. Устанавливают переключатель 18 в положение «1» и поворотом отсчетного потенциометра приводят стрелку миллиамперметра к нулю рукояткой 19. Отмечают по шкале 3 оптическую плотность (верхняя шкала) или коэффициент пропускания (в %) (нижняя шкала). Для увеличения точности отсчет производят 3-5 раз, повторяя весь порядок компенсации, затем находят среднее значение показаний по шкале.

Если при установке переключателя 8 в положение «закр» стрелка миллиамперметра возвращается к нулю, можно проводить измерения, не проверяя компенсацию темнового тока перед каждым измерением. При необходимости провести измерение с большей точностью переключатель 18 устанавливают в положение «2» и снятое по шкале пропускания показание умножают на 0,1, а к показаниям оптической плотности прибавляют единицу. При измерении коэффициента пропускания (больше 90%) с высокой точностью переключатель 18 устанавливают в положение «3», полученное показание умножают на 0,1 и прибавляют к нему 90.

Проверка работы прибора

Перед началом измерения оптической плотности анализируемых растворов проверяют работу узлов прибора. Правильность установки ртутной лампы проверяют визуально: открывают щель на полную ширину (2 мм) рукояткой 14 (см. рис. 106). Указатель длин волн устанавливают на длину волны 546,1 нм (зеленая линия ртути). Со стороны, противоположной щели, в кюветное отделение вставляют лист белой бумаги и наблюдают освещенность прямоугольника, который является изображением щели. При правильной установке лампы этот прямоугольник равномерно освещается зеленым светом. Если освещенность неравномерна или имеются затененные углы, то следует специальным ключом и часовой отверткой настроить лампу при помощи винтов и зеркала-конденсора до получения равномерного освещения прямоугольника зеленым светом.

Водородную лампу устанавливают визуально, как и ртутную, по красной линии водорода 656 нм. Для фотометрической проверки установки лампы максимально раскрывают ширину щели (2 мм) и ставят потенциометр в положение минимальной чувствительности «1». Для регулировки темнового тока открывают шторку фотоэлемента и рукояткой 20 (см. рис. 106) вращают шкалу длин волн в сторону меньших значений. Стрелку миллиамперметра устанавливают на нуль и сравнивают значение длины волны по шкале с паспортным значением для данной лампы. Если показания шкалы длин волн и данные паспорта отличаются более чем на 2-3 нм, то считают, что лампа установлена неправильно, и ее снова устанавливают с помощью юстировочных винтов и конденсорного зеркала.

Установку вольфрамовой лампы накаливания проверяют визуально, как и ртутной, по зеленой линии 546,1 нм. При фотометрической проверке установки лампы нужно учитывать, что интенсивность излучения лампы и чувствительность фотоэлементов различны при разных длинах волн. Максимум интенсивности излучения приходится на область 520-550 нм; в этой области можно работать с минимальной щелью. После компенсации темнового тока при закрытом фотоэлементе устанавливают по шкале длину волны 546,1 нм, соответствующую максимальной интенсивности излучения лампы накаливания. Рукоятку потенциометра чувствительности 16 (см. рис. 106) ставят в положение «2» или «3». Открывают шторку фотоэлемента, приводят стрелку миллиамперметра к нулю, уменьшая щель. Если стрелка миллиамперметра приводится к нулю при раскрытой щели не более чем на 0,02-0,03 мм, то установку лампы считают вполне удовлетворительной.

Визуальную проверку шкалы длин волн 2 (см. рис. 106) проводят по линии ртутного спектра 546,1 нм. Проверка состоит в том, что при вращении рукоятки 20 (см. рис. 106) шкалы длин волн наблюдают прохождение через щель (0,02-0,04 мм) света, соответствующего линии ртути. Вращение рукоятки (от примерно 530 нм) останавливают, когда наблюдается наиболее яркое освещение щели (что соответствует максимуму интенсивности линии ртути), и сравнивают показания шкалы с данными, приведенными в аттестате.

Если отклонение более 3-5 нм, то его уменьшают поворотом зеркального объектива. Для этого снимают крышку с надписью «регулировка зеркала» и поворачивают винт зеркального объектива специальном ключом по часовой стрелке, если линия на шкале больше табличной, и против часовой стрелки, если отсчет по шкале меньше табличного значения.

Для фотоэлектрической проверки градуировки выполняют следующие операции: 1) ставят рукояткой 10 (см. рис. 106) в рабочее положение фотоэлемент, соответствующий проверяемой области спектра; 2) ставят переключатель 18 в положение «выкл» и при опущенной вниз шторке переключателя 8 компенсируют темновой ток; 3) устанавливают потенциометр чувствительности на положение «3» рукояткой 16; 4) ставят отсчетный потенциометр 3 рукояткой 19 в положение, соответствующее коэффициенту пропускания 3-5%; 5) открывают шторку фотоэлемента переключателем 8 вверх до отказа; 6) выводят стрелку миллиамперметра 4 в пределы шкалы, регулируя щель рукояткой 14; 7) подводят линию 546,1 нм, медленно вращая шкалу длин волн рукояткой 20, при этом стрелка миллиамперметра двигается влево. Регулируя щель, удерживают стрелку в пределах шкалы. В момент прохождения через щель светового потока максимальной интенсивности наблюдается максимальное отклонение стрелки миллиамперметра влево. Вращение шкалы длин волн останавливают в этот момент до начала обратного движения стрелки вправо. Отсчет по шкале должен быть равен 546,1 нм с отклонением ±0,2 нм. Таким образом проверяют градуировку во всем диапазоне от 220 до 1100 нм по тем длинам волн, которые указаны в аттестате. Если не наблюдается хорошего совпадения в показаниях, то этого добиваются поворотом зеркального объектива, как описано выше.

Проверку правильности показаний шкалы отсчетного потенциометра проводят по нейтральным светофильтрам (стандарты пропускания): НС-6 толщиной 1 мм и НС-8 толщиной 1, 2, 3 и 4 мм. Данные о пропускании светофильтров приведены в паспорте прибора.

Регистрирующие спектрофотометры СФ-10 и СФ-14

Позволяют записывать спектры поглощения и пропускания растворов. Спектры регистрируются в области видимого спектра за сравнительно короткое время (2-12 мин). Приборы имеют двойной монохроматор, поэтому монохроматизация света достигается довольно высокая, при этом автоматически вырезается (выделяется) спектральный участок постоянного интервала длин волн. Источником освещения является кинопроекционная лампа К-30, а приемником энергии - мультищелочной фотоэлемент Ф-10. Рабочий интервал охватывает область спектра от 400 до 700 нм.

Оба спектрофотометра состоят из осветителя, двойного монохроматора, фотометра поляризационного типа, приемно-усилительной части и регистрирующего механизма. На рис. 111 приведена оптическая схема спектрофотометров СФ-10 и СФ-14, состоящая из спектральной и фотометрической части. Свет лампы 1 направляется конденсором 2 через входную щель 3 в объектив 4 коллиматора. Входная щель 3 расположена в фокальной плоскости объектива. Выходящий из него пучок света проходит первый монохроматор (диспергирующую призму) 5 и разлагается в спектр. Объектив 6 первого монохроматора дает спектральное изображение выходной щели в плоскости средней щели по линии А-А. Средняя щель двойного монохроматора, образованная зеркалом 7 и ножом 8, вырезает участок спектра, который проходит второй монохроматор 5' и проектируется в плоскости выходной щели 9.

Принципиальная оптическая схема регистрирующих спектрофотометров СФ-10 и СФ-14

После выхода из монохроматора 5' пучок света попадает в фотометрическую часть прибора: сначала он проходит через линзу 10 и двояко преломляющую призму Рошона 11. Линза 10 дает изображение объектива выходного коллиматора вблизи диафрагмы 12, а призма 11 разделяет это изображение на два, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях: одно, расположенное симметрично относительно оптической оси, проходит через призму Волластона 13 и линзу 14, другое - смещенное, срезается диафрагмой 12. Линза 14 дает изображение выходной щели в плоскости полулинз 15. Вследствие двойного лучепреломления призмы Волластона в плоскости полулинз получается два изображения выходной щели. Пройдя полулинзы 15, установленные внутри барабана прерывателя 16, оба пучка отклоняются на 90° призмой 17, проходят через входные окна интегрирующей сферы 18 и падают на окна, напротив которых устанавливаются кюветы с анализируемым раствором и раствором сравнения при измерении коэффициента пропускания. Свет, отраженный от растворов, суммируется шаром и попадает на фотоэлемент, находящийся за выходным окном шара. Осветитель, электромеханическая система и усилитель питаются от сети переменного тока в 127 В.

Спектрофотометры иностранного производства

Спектрофотометр Хитачи, модель 124

Японский спектрофотометр Хитачи - двухлучевой регистрирующий прибор, работающий в области спектра 190-800 нм (рис. 112). Диспергирующим элементом является дифракционная решетка. Прибор позволяет измерять коэффициент пропускания (в %) и оптическую плотность жидкостей и газов по отношению к выбранному образцу сравнения. Результаты измерения можно регистрировать непосредственно по шкале прибора или на линейном самописце.

Регистрирующий спектрофотометр Хитачи, модель 124

Источниками излучения являются вольфрамовая лампа для видимой области (370-800 нм) и дейтериевая лампа для ультрафиолетовой области (190-370 нм). Детектором служит фотоумножитель. Прибор снабжен кюветами разных размеров до толщины слоя в 10 см. Прибор может работать также по однолучевой схеме при измерении спектральной интенсивности или энергии излучения каких-либо источников.

Спектрофотометр VSU-2

Выпускается в ГДР. Применяется для измерений в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Обладает высокой фотометрической точностью и высокой спектральной разрешающей способностью. Выпускается двух марок: VSU-2-P (с рабочим интервалом длин волн 200-1000 нм) и VSU-2-g (с интервалом длин волн 320-1100 нм).

Спектрофотометр VSU-2 является нерегистрирующим однолучевым фотометром. Свет, излучаемый лампой накаливания или дейтериевой лампой, разлагается монохроматором на спектр. Монохроматический световой поток проходит выходную щель, анализируемую или эталонную пробы и попадает на вакуумный фотоэлемент. Для измерения фототоков применяется принцип электрической (потенциометрической) компенсации. После установки заданной длины волны в пучок света поочередно помещаются эталонная и анализируемая пробы и фототок компенсируется потенциометром. По шкале индикаторного потенциометра определяют коэффициент пропускания (в %), по логарифмической шкале барабана - экстинкцию пробы. Оптическая схема спектрофотометра VSU-2-P приведена на рис. 113.

Оптическая схема спектрофотометра VSU-2-P

С дополнительной приставкой прибор может использоваться как пламенный фотометр.

Переоборудование для пламенной фотометрии. Дополнительная приставка для использования спектрофотометра как пламенного фотометра состоит из специальной горелки, устройства питания газом и приспособления для смены проб. Анализируемый раствор распыляется и подается в кислородно-водородное пламя, где он испаряется. Свободные атомы выпускает излучение, характерное для данного анализируемого элемента. Интенсивность излучения является мерой концентрации элемента в растворе. Монохроматор спектрофотометра из спектра пламени выделяет соответствующую линию элемента, которая измеряется фотоячейкой по принципу компенсации.

Методом пламенной фотометрии определяют более 60 элементов, анализируют материалы металлургии, минералогии, а также стекло, цемент, керамику, пластмассы, материалы гальванотехники, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности.

Спектрофотометр Спекол

Выпускается в ГДР. Однолучевой спектрофотометр, в который входит монохроматор с дифракционной решеткой; рабочий интервал длин волн от 340 до 850 нм. Применяется для измерения оптической плотности прозрачных и мутных растворов, флуоресценции, а также для фотометрического и флуорометрического титрования и титрования мутных растворов. Все разнообразие выполняемых на спектрофотометре работ обеспечивается 16 различными измерительными приставками.

Оптическая схема спектрофотометра показана на рис. 114. От источника 1 свет с помощью конденсора 2 и зеркала 3 направляется на входную щель 4. Коллиматорным объективом 5 свет в виде параллельного пучка направляется на дифракционную решетку 6, имеющую 650 штрихов на 1 мм, где он и разлагается на спектр. После дифракции коллиматорным объективом 7 свет фокусируется в плоскости выходной щели 8. Выделенное из спектра монохроматическое излучение проходит через выходную щель, затем через кювету с анализируемым раствором 9, цветной светофильтр 10 и попадает на приемник излучения 11 - селеновый фотоэлемент. Возникающий фототок усиливается транзисторным усилителем 13 и передается на индикаторный инструмент 14.

Оптическая схема спектрофотометра Спекол

Волновые числа устанавливают поворотом барабана волновых чисел 12, оснащенного шкалой для интервала длин волн от 330 до 850 нм с интервалом в 1 нм.

Спектрофотометр Спекорд UV-VIS

Автоматический регистрирующий двухлучевой спектрофотометр для работы в ультрафиолетовой и видимой областях спектра с интервалом длин волн от 185 до 800 нм. Прибор регистрирует на самописце линейный коэффициент пропускания или оптическую плотность в зависимости от волнового числа. Имеет вольфрамовую и дейтериевую лампы, которые включаются автоматически в зависимости от интервала длин волн.

Спектрофотометры Спекорд 71-IR и 72-IR

Автоматические регистрирующие двухлучевые спектрофотометры. Работают в инфракрасной области спектра. Применяются для изучения структуры соединений, исследования на чистоту, изучения процессов полимеризации, измерения скорости процессов кинетических реакций. Спекорд 71-IR работает с NaCl-призмой в интервале волновых чисел от 4600 до 650 см-1; спекорд 72-IR - с KBr-призмой в интервале от 1100 до 400 см-1. Источником излучения служит керамический стержень, нагреваемый до 1200 °С с помощью вставленной в него платиново-родиевой спирали.

Спектрофотометр Спекорд 75-IR

Обеспечивает измерение в интервале волновых чисел от 4000 до 400 см-1. Является двойным дифракционно-призменным монохроматором с автоматической регистрацией. Применяют для анализа твердых, жидких и газообразных веществ, идентификации молекулярных групп, изучения соотношения связей, выяснения пространственной структуры соединений, испытания на чистоту. Источником излучения является инфракрасная горелка, охлаждаемая воздухом. Температура источника излучения 1200 °С. На самописце записывается оптическая плотность в виде функции волнового числа, одновременно регистрируется спектр пропускания. Спектрофотометры Спекорд выпускаются в ГДР.

Спектрофотометр Бекмана 34/35 UV/VIS

Обеспечивает измерение в ультрафиолетовой й видимой областях спектра в интервале от 340 до 700 нм (модель 34) и от 190 до 700 нм (модель 35). Является автоматическим прибором высокой точности. Производится в США.