Физические принципы спектрофотометрии. Устройство спектрофотометра

  • Вид работы:
    Дипломная (ВКР)
  • Предмет:
    Физика
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    1,45 Mb
  • Опубликовано:
    2011-05-08
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Физические принципы спектрофотометрии. Устройство спектрофотометра

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.М. Горького

Физический факультет

Кафедра общей и молекулярной физики







Курсовая работа

Физические принципы спектрофотометрии.

Устройство спектрофотометра







Екатеринбург

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 История развития оптической спектрометрии

1.2 Физические основы, на которых построена методика измерений

1.2.1 Закон Бугера - Ламберта - Бера

1.3 Поглощение в твердых телах и молекулах

1.3.1 Зонная теория кристаллов

1.3.2 Теория кристаллического поля

1.3.3 Теория молекулярных орбиталей

2. Абсорбциометрические приборы

2.1 Типы абсорбционных спектрометров

2.2 Типы абсорбционных спектрометров видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона

2.2.1 Колориметры и фотоколориметры

2.2.2 Спектрофотометры

2.2.3 Двуволновые спектрофотометры

2.2.4 Спектрофотометры с фотодиодной решеткой

3. Устройство и основные узлы спектрофотометра

3.1 Устройство спектрофотометра

3.2 Основные узлы спектрофотометра

3.2.1 Источник света

3.2.2 Кюветы

3.2.3 Диспергирующий элемент

3.2.4 Монохроматоры

4. Экспериментальная часть

Заключение

Список литературы

Введение

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

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

Цели работы:

1.       изучение теоретических основ оптической спектрофотометрии

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

.        исследование спектральной зависимости интенсивности сигнала Nd3+ от его концентрации в берилловых стеклах, обогащенных Nd3+.

1. Литературный обзор


1.1 История развития оптической спектрометрии


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

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

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

спектрофотометрия спектрофотометр оптический измерение

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

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

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

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

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

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

 

1.2 Физические основы, на которых построена методика измерений

 

1.2.1 Закон Бугера - Ламберта - Бера

Задачей абсорбционной спектрометрии является определение того, в какой степени образец пропускает свет определенной длины волны λ. В этом контексте "свет" определяется как энергия спектрального излучения Фе (λ) (Вт нм-1) или как плотность потока излучения на единицу поверхности (Е м-2 с-1). Для упрощения и без применения специфических единиц измерения света обозначим интенсивность падающего света в точке x=0 как I0, а интенсивность в точке x - как I. Бугер в 1729 г. и Ламберт в 1760 г. установили, что ослабление света, проходящего через прозрачную среду, пропорционально интенсивности света I и толщине исследуемого образца dx (закон Бугера - Ламберта):


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

 (1)

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

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

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

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

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

 (2)

Интегрирование уравнения (2) по всей толщине x образца дает

 (3)

где постоянная интегрирования I0 - интенсивность падающего на образец света, а I - интенсивность света в любом положении x внутри образца, т.е. с увеличением толщины образца интенсивность света уменьшается экспоненциально. В логарифмической форме уравнение (3) будет иметь вид:


С учетом так называемого коэффициента молярной экстинкции:


где Μ-1 = л/моль, получаем:

 (4)

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

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

 

1.3 Поглощение в твердых телах и молекулах


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

•        Зонная теория кристаллов

•        Теория кристаллического поля

•        Теория молекулярных орбиталей

 

1.3.1 Зонная теория кристаллов

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

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

металлы:

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

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

Оптические свойства металлов:

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

•        хорошо отражают излучение

-        неметаллические вещества (диэлектрики и полупроводники):

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

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

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

 

1.3.2 Теория кристаллического поля

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

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

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

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

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

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

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

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

 


1.3.3 Теория молекулярных орбиталей

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

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

) орбитали А и В должны обладать одинаковыми свойствами симметрии;

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

) энергии орбиталей А и В должны быть равными.

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

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

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

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

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

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

Типы переноса заряда:

. Переходы электронов с σ-орбитали на незанятые t2g - и eg-opбитали. Перенос заряда от лиганда к металлу (сокращенно лиганд → металл, или L→М).

. Переходы электронов с заполненной π-орбитали, принадлежащей в основном лиганду, на e*g-, a*1g - или t1u-орбитали. При этом заряд также переносится от лиганда к металлу.

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

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

2. Абсорбциометрические приборы


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

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

Приборы могут отличаться:

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

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

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

·        по конструкции оптической системы (одноканальные и многоканальные);

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

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

 


2.1 Типы абсорбционных спектрометров


При измерении поглощения вещества определяется его поглощающая способность на определенной длине волны λ1. Настроив монохроматор на эту длину волны, мы определяем разницу между значениями, полученными в присутствии и отсутствие исследуемого образца (на таком принципе основаны колориметры, фотоколориметры и большинство фотометров):


Аналогично можно отсканировать весь спектральный диапазон Δλ между λ1 и λ2, в присутствии и отсутствие образца (двулучевые спектрофотометры имеют два параллельных луча, один из которых проходит через сравнительную кювету, а второй - через кювету с образцом) и получить с помощью встроенного компьютера скорректированный спектр поглощения (с помощью вычислений на компьютере в режиме реального времени) (см. рис.2, а)


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

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

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

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

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

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

В отличие от последовательных измерений, измерение образца и сравнения можно проводить одновременно, предварительно расщепив луч света (расщепителем луча Y) и используя два отдельных фотодетектора D1 и D2, после чего два независимых сигнала преобразуются в спектр поглощения (рис.2, в). Такой метод позволяет исключить ошибки измерения, вызванные флуктуациями источника света, но не компенсирует различия в чувствительности детекторов.

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

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

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

 

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

 


2.2 Типы абсорбционных спектрометров видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона

 

2.2.1 Колориметры и фотоколориметры

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

Рис.5 Упрощенная схема фотоколориметра: 1 - источник световой энергии (лампа накаливания, импульсная лампа); 2 - полосовой светофильтр, пропускающий световой поток в полосе длин волн Δλ.; 3 - контейнер для исследуемых образцов (кювета); 4 - детектор (фотоприемник); Ф0 - падающий поток световой энергии; Ф - поток световой энергии, прошедший раствор, который поглотил часть энергии; Δλ. - полоса пропускания светофильтра использования.

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

2.2.2 Спектрофотометры

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

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

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

Рис 7 - монохроматор (источник монохроматического излучения световой энергии на длине волны λ); 2 - кювета с исследуемым раствором; 3 - детектор (фотоприемник); Ф0 - падающий поток световой энергии; Ф - поток световой энергии, прошедший через раствор, поглощающий часть энергии

 

2.2.3 Двуволновые спектрофотометры

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

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

Рис.8. Схема типичного двуволнового спектрофотометра.

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

 

2.2.4 Спектрофотометры с фотодиодной решеткой

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

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

3. Устройство и основные узлы спектрофотометра

 

3.1 Устройство спектрофотометра


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

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

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

 

3.2 Основные узлы спектрофотометра

 

3.2.1 Источник света

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

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

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

 

3.2.2 Кюветы

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

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

 

3.2.3 Диспергирующий элемент

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

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

Основным преимуществом использования призмы в спектрофотометре является ее низкая стоимость.

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

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

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

 

3.2.4 Монохроматоры

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

Рис. 10. Функциональная схема монохроматора с призмой.

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

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

 

Рис.11. Функциональная схема монохроматора с дифракционной решеткой.

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

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

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

4. Экспериментальная часть


Были отсняты спектры берилловых стекол обогащенных Nd3+, причем все шесть образцов имеют разные концентрации ионов Nd3+. Измерения проводились на спектрофотометре UV-1700 Shimadzu. На рис.12. приведены спектры, заметно что с ростом номера образца растут и интенсивность пиков, следовательно чем больше номер образца, тем больше концентрация Nd3+ в образце.

Рис.12. Спектры берилловых стекол обогащенных Nd 3+

Провели исследование спектральной зависимости интенсивности сигнала Nd3+ от его концентрации в данных образцах. Сравнили самый заметный пик [1] (550-600 нм) с двумя пиками [2] (730-780 нм) и [3] (780-830 нм). Вычислили отношение значений интенсивностей данных пиков  и  для каждого образца и построим график зависимости полученных значений от концентрации образца (рис 13).


Рис.13.

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

Заключение


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

Была проделана небольшая экспериментальная работа на спектрофотометре UV-1700 Shimadzu (Япония). В ходе которой были отсняты спектры шести образцов берилловых стекол с разной концентрацией ионов Nd3+. Проведено исследование спектральной зависимости интенсивности сигнала Nd3+ от его концентрации в данных образцах. Выявлены причины расхождения теоретических и практических данных (неоднородность образцов и приставка).

Список литературы


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

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

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


Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!