В режиме калибровки оператор с пульта вводит нормированные значения, приписанные данному калибровочному раствору, последовательно подает в кюветное отделение калибровочные растворы и проводит измерения.

В режиме анализа оператор устанавливает в кюветное отделение кювету с исследуемым раствором и проводит измерение.

Рис. 3.31. 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

Рис. 3.32. Упрощенная оптическая схема однолучевого спектрофотометра. 1 - монохроматор (источник монохроматического излучения световой энергии на длине волны \\, 2 - кювета с исследуемым раствором; 3 - детектор (фотоприемник); Ф„ - падающий поток световой энергии; Ф - поток световой энергии, прошедший через раствор, поглощающий часть энергии

Рис. 3.33. Обобщенная структурная схема одноканального спектрофотометра.

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 анергии;

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

Если у прибора отсутствует режим автоматической калибровки, то оператор строит граду-ировочный график зависимости оптической плотности и нормированных значений, приписанных калибровочным растворам.

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 (V1S) 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 спектро-фотометрических исследованиях.

Основные компоненты однолучевого спектрофотометра показаны на рис. 3.32.

Принцип работы спектрофотометра. 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.

Источник света. Спектрофотометр UV/VIS (ультрафиолет + видимый свет) имеет два источника света: для видимого участка спектра и источник ультрафиолета - от 100 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.

Устройство и принцип работы спектрофотометра

На рис. 3.33 представлена обобщенная структурная схема спектрофотометра.

Рассмотрим взаимодействие и функциональное назначение элементов структурной схемы.

За последние 20 лет миниатюрные оптоволоконные спектрометры перестали быть чем-то необычным и превратились в рабочий инструмент большинства специалистов. Люди по достоинству оценили преимущество малых размеров в сочетании с изобилием аксессуаров для образцов.

Основной функцией спектрометра является регистрация и накопление спектра света, оцифровка полученного сигнала в зависимости от длины волны и последующий анализ с помощью ПК. На первом этапе свет, пройдя оптическое волокно, попадает в спектрометр, а именно, через узкую апертуру, известную как входная щель. Линза виньетирует свет на входе в спектрометр. В большинстве спектрометров рассеянный свет затем коллимируется с помощью вогнутого зеркала и направляется в дифракционную решетку. Решетка рассеивает компоненты спектра под слегка разными углами, которые затем фокусируются вторым вогнутым зеркалом на детекторе. В качестве альтернативы можно использовать вогнутую голографическую решетку для реализации всех трех функций спектрометра одновременно. Этот вариант имеет свои преимущества и недостатки, о которых речь пойдет далее.

Как только свет попадает на детектор, фотоны света преобразуются в электроны, которые затем через порт USB (или последовательный порт передачи данных) поступают в ПК. Программа производит интерполяцию сигнала в зависимости от количества пикселей в детекторе и линейной дисперсии дифракционной решетки для реализации калибровки, которая позволяет начертить график распределения по длинам волн в спектре. Затем эти данные можно использовать в многочисленных спектральных исследованиях, о некоторых из которых речь пойдет далее. В следующих разделах объясняется работа спектрометра и взаимодействие его компонентов. Сначала рассмотрим каждый компонент отдельно, чтобы разобраться в работе спектрометра, затем обсудим настройки и функционал. Мы также коснемся аксессуаров, которые делают применение спектрометра более эффективным.

Спектрометр. Часть 1. Щель

Общие сведения

Спектрометр представляет собой систему визуализации, распределяющую множество монохроматических изображений в плоскости детектора (через входную щель). От входной щели зависят рабочие характеристики спектрометра, поскольку она задает размер светового потока, попадающего на оптическую часть. От нее зависит спектральное разрешение, другими важными факторами также являются частота штрихов дифракционной решетки и размер пикселей детектора.

Оптическое разрешение и пропускная способность спектрометра полностью зависят от параметров щели. Свет попадает внутрь спектрометра через оптическое волокно или линзу, сфокусированную на с учетом настройки щели. От щели зависит угол расходимости попадающего внутрь света.

Щели могут иметь разную ширину - от 5мкм до 800мкм и более, высота щели составляет 1 мм (стандартно) - 2мм. Выбор размера входной щели - важный вопрос, так как она настраивается и устанавливается в спектрометре только квалифицированным специалистом.

В основном в спектрометрах применяются щели шириной 10, 25, 50, 100, 200 мкм и т.д. В системах, в которых применяются оптические волокна для подачи светового пучка, размер пакета волокон совпадает с размером входной щели. Обычно это снижает рассеяние света и повышает пропускную способность прибора.

Технические подробности

Основное назначение входной щели заключается в четком выделении объекта для размещения на оптическом столе. Размеры (ширина (Ws) и высота (Hs)) входной щели являются ключевым фактором, который влияет на пропускную способность спектрометра. От ширины изображения во входном отверстии зависит спектральное разрешение прибора, если он превышает ширину пикселя в детекторе. И пропускная способность, и разрешение спектрометра должны быть сбалансированы выбором правильной ширины входной щели.
Ширину изображения входной щели (Wi) можно рассчитать по формуле:

W i = (M 2 ? W s 2 +W o 2) 1/2 ,
Уравнение 1-1

где M представляет собой увеличение оптического стола в зависимости от соотношения фокусной длины фокусирующего зеркала и фокусной длины коллимирующего зеркала, W s - ширина входной щели и W о - увеличение изображения оптической частью. При соответствующем разрешении ширина входной щели должна быть как можно больше для увеличения пропускной способности спектрографа.

Для стандартного оптической схемы Черни-Тернера W o составляет примерно несколько десятков микрон, снижение ширины входной щели ниже указанного значения не приводит к существенному повышению разрешения спектрометра. Осевые оптические столы позволяют значительно снизить показатель W o , это обеспечивает более точное спектральное разрешение. Другим ограничивающим фактором для спектрального разрешения служит ширина пикселя (W p) детектора. Снижение показателя W i ниже W p не приводит к росту спектрального разрешения.

Часть 2. Дифракционная решетка

Общие сведения

Дифракционная решетка формирует спектр длин волн света и частично влияет на оптическое разрешение спектрометра. Правильный выбор дифракционной решетки является важным фактором для получения требуемых характеристик спектра при решении задач. От решетки зависит оптическое разрешение и эффективность распределения в спектре. Она имеет два параметра: частота штрихов решетки и угол блеска, о которых пойдет речь в данном разделе.

Применяются дифракционные решетки двух типов: нарезные и голографические решетки. Нарезные решетки состоят из большого количества параллельных штрихов, выполненных на поверхности, на которую наносится зеркальное покрытие. Голографические решетки создаются в результате интерференции двух УФ лазерных пучков (параллельных или непараллельных) на светочувствительном слое. Они отличаются стабильными спектральными характеристиками, но имеют более низкую эффективность.

Нарезные решетки - наиболее простые и недорогие материалы в производстве, но они довольно сильно рассеивают свет. Это происходит из-за неточности изготовления штрихов и частоты их нанесения. Поэтому в спектроскопии (например, УФ спектроскопии) детектор работает хуже и оптические характеристики получаются ниже. В подобном случае голографические решетки позволяют снизить эффект рассеяния света и повысить выходные характеристики спектрометра. Другим преимуществом голографической решетки является возможность простого ее создания на криволинейных поверхностях, это позволяет одновременно использовать решетку в качестве рассеивающего и фокусирующего элемента.

Частота штрихов решетки

Величина дисперсии зависит от количества штрихов, нанесенных в мм поверхности решетки. В основном этот параметр называют плотностью решетки или частотой (периодом). От частоты решетки зависит рабочий диапазон спектрометра и спектральное разрешение. Диапазон длин волн спектрометра обратно пропорционален дисперсии решетки благодаря фиксированной геометрии. Чем шире дисперсия, тем выше разрешение спектрометра. И, наоборот, более низкая частота решетки приводит к падению дисперсии и увеличению диапазона длин волн в ущерб его спектральному разрешению.

Например, спектрометр Quest™ X с частотой решетки 900 штр/мм имеет диапазон измерения длин волн, равный 370 нм, и оптическое разрешение (точность) менее 0,5 нм. Если выбран спектрометр Quest™ X с решеткой 600 штр/мм, его диапазон измерения длин волн составит 700 нм, а оптическое разрешение (точность) менее 1,0 нм. То есть с ростом диапазона волнового измерения снижается оптическая точность спектрометра.

Если требуется измерять широкий диапазон длин волн, т.е. λ max > 2λ min , оптические сигналы разных дифракционных порядков могут накладываться друг на друга на пластине детектора. Это становится очевидным, если посмотреть на уравнение для дифракционной решетки. В подобном случае для устранения нежелательного наложения сигналов, то есть для «сортировки по порядку», требуется линейный переменный фильтр (LVF).

В спектрометрах со штриховой дифракционной решеткой угловая дисперсия решетки описывается формулой:

Уравнение 2-1

где β представляет собой угол дифракции, d - период решетки (равен инверсии плотности штрихов), м - дифракционный порядок, λ - длина волны света, как показано на Рис. 2-1.

Рис. 2-1. Геометрия дифракции для плоской и вогнутой решеток

Учитывая фокусную длину (F) фокусирующего зеркала и принимая во внимание малую угловую аппроксимацию, уравнение 2-1 можно переписать как:

Уравнение 2-2

которое измеряет линейную дисперсию в нм/мм. Из линейной дисперсии максимальный спектральный диапазон (λ max - λ min) прибора можно рассчитать с учетом длины детектора (L D ), которая вычисляется умножением общего количества пикселей в детекторе (n ) на ширину одного пикселя (W p ):

Уравнение 2-3

На основании 2-3 становится очевидным, что максимальный спектральный диапазон прибора зависит от длины детектора (L D ), плотности штрихов (1/d ) и фокусного расстояния (F ).

Точность определения длины волны в дифракционной решетке определяется как:

Уравнение 2-4

где N - общее количество штрихов дифракционной решетки. Согласно теории ограниченной трансформации самая мельчайшая единица разрешения обратно пропорциональна количеству образцов. В основном, разрешение дифракционной решетки значительно выше разрешения самого спектрометра, поэтому дисперсия является лишь одним из многих факторов, определяющих спектральное разрешение прибора.

Следует отметить, что самая длинная волна, которая подвергается дифракции в решетке, составляет 2d , она представляет собой верхнее предельное значение спектрального диапазона решетки. Для ближнего ИК диапазона это ограничение максимальной длины волны может сказаться на максимальной частоте решетки, которую можно использовать в спектрометре.

Угол блеска

Поскольку дифракционная решетка преломляет полихроматический свет, она не имеет постоянную эффективность. Форма дифракционной кривой зависит в основном от угла решетки, который также известен как угол блеска. Это позволяет вычислить значение угла блеска, который соответствует максимальной эффективности - то есть так называемой цветовой длине волны. Данная концепция проиллюстрирована на Рис. 2-1, на котором сравниваются разные решетки частотой 150 штрихов/мм с углами блеска 500 нм, 1250 нм и 2000 нм.

Рис. 2-2 Сравнение эффективности решеток в зависимости от цветовой длины волны

Можно обеспечить высокую дифракционную эффективность (>85%), соответствующую определенной длине волны (цветовой). Это задается предельным значением спектрального диапазона спектрометра.

Чаще всего, цветовая длина волны дифракционной решетки смещена в зону низкой четкости спектрального диапазона с целью повышения общего соотношения сигнала к уровню шума (SNR) спектрометра.

Часть 3. Детектор

Общие сведения

Мы обсудили важность входной щели и дифракционной решетки при формировании спектрального изображения в плоскости изображения. В традиционных спектрометрах (монохроматорах) вторая щель размещена в плоскости изображения и называется выходной щелью.

Выходная щель имеет обычно аналогичные размеры, как и входная щель, а ширина последней является одним из факторов, ограничивающих спектральный диапазон прибора (как отмечено в части 1 материала). В этой конструкции детектор размещен за выходной щелью и решетка поворачивается для сканирования спектрального изображения через щель, поэтому интенсивность света является функцией длины волны.

В современных спектрометрах детекторы на линейных и ПЗС-матрицах являются следующим шагом развития спектрометров со штриховой решеткой. Поскольку случайный свет попадает на пиксели через ПЗС-матрицу, то каждый пиксель берет на себя часть спектра, который электронная система прибора может преобразовать и отобразить с помощью программного обеспечения. Это преимущество позволяет конструировать спектрометры без подвижных компонентов, что приводит к сокращению размеров и энергопотребления. Применение компактных многоэлементных детекторов - это резкое сокращение затрат, компактные размеры спектрометров, которые получили название «миниатюрные спектрометры».

Типы детекторов

Фотодетекторы можно классифицировать по разным признакам, основным из них является материал, из которого выполнен детектор. В миниатюрном спектрометре находят применение два наиболее распространенных полупроводниковых материала - Si и InGaAs. Важно выбрать правильный материал детектора при подборе спектрометра, так как ширина запрещенной энергетической зоны (E gap ) полупроводника определяет верхний предел длины волны (λ max ) согласно следующему выражению:

Уравнение 3-1

где h - постоянная Планка, c-скорость света. Постоянную Планка и скорость света можно выразить как 1240 эВ·нм или 1,24 эВ·нм для простоты перехода от энергии к длине волны. Например, ширина запрещенной зоны Si равна 1,11 эВ, что соответствует максимальной длине волны 1117,117 нм.

InGaAs, с другой стороны, представляет собой соединение InAs и GaAs, которые имеют ширину запрещенной зоны, равную 0,36 эВ и 1,43 эВ соответственно. Поэтому в зависимости от содержания In и Ga в материале данный показатель может иметь промежуточное значение. Однако, по ряду причин In и Ga нельзя смешивать в произвольном количестве, поэтому значение 1,7 мкм (или 0,73 эВ) является стандартным показателем для детекторов InGaAs. Также можно использовать матрицу InGaAs, которая способна работать с разрешением 2,2 мкм или 2,6 мкм, но подобные детекторы гораздо дороже и более шумные по сравнению с традиционными детекторами на основе InGaAs.

Нижний предел работы материала определить сложнее, так как он зависит от особенности поглощения света полупроводниковым материалом и поэтому может варьироваться в широких пределах в зависимости от толщины детектора. Другим общепринятым методом снижения предела включения детектора является флуоресцентное покрытие на окне детектора, которое будет поглощать фотоны высокой энергии и излучать фотоны более низкой энергии, определяемые датчиком. На Рис. 3-1 показано сравнение функции обнаружения детектора (D*) в зависимости от длины волны для матриц на основе Si (ПЗС) и InGaAs.

Рис. 3-1 Аппроксимация D* в зависимости от длины волны в стандартных детекторах

CCD, BT-CCD и PDA матрицы

В настоящее время детекторы InGaAs существуют только в одном исполнении, а вот многоэлементные детекторы Si имеют три типа конструкции: приборы с зарядной связью (CCD или ПЗС), ПЗС просветленного типа (BT-CCD), фотодиодные матрицы (PDA).

Технология ПЗС позволяет создавать детекторы с малыми размерами пикселей (~14 мкм), это устраняет необходимость в прямом считывании сигнала от каждого пикселя. Здесь заряд передается от одного пикселя к другому, что позволяет считывать всю информацию из матрицы с одного пикселя. Можно создать бюджетный ПЗС, который является идеальным решением для большинства миниатюрных спектрометров, но ПЗС имеют два недостатка. Во-первых, передний шлюз ПЗС может стать причиной рассеяния случайного светового потока. Во-вторых, для ПЗС требуется относительно большая подложка из P-Si, позволяющая снизить затраты на производство. Но это также ограничивает и эффективность самого детектора (прежде всего при работе в диапазоне коротких волн) за счет поглощения через слой P.

Для устранения этих двух недостатков применяется более высокая чувствительность, в этом случае BT-CCD (ПЗС просветленного типа) является идеальным решением. BT-CCD получается травлением подложки P-Si ПЗС до толщины примерно 10мкм. В результате этого значительно сокращается поглощение и увеличивается эффективность детектора. Данный процесс также позволяет подсвечивать детектор с обратной стороны (P-Si), это исключает негативное влияние переднего шлюза детектора. На Рис. 3-2 представлено сравнение эффективности традиционного ПЗС детектора и детектора BT-CCD с обратной подсветкой.

Рис. 3-2 Квантовая эффективность ПЗС детектора и детектора на просветленной ПЗС

Но помимо безоговорочных преимуществ матриц BT-CCD в спектроскопии также следует отметить два важных недостатка. Прежде всего, травление увеличивает затраты на производство и, во-вторых, (поскольку детектор получает очень тонким) может возникнуть эффект наложения в результате отражения от передней и задней поверхностей детектора. Эти явления, связанные с конструкцией BT-CCD, можно устранить путем глубокого обеднения, но это приводит к росту стоимости производства.

PDA детекторы являются более традиционными линейными приборами, которые состоят из фотодиодов, распределяемых по линии с использованием CMOS (КМОП) технологии. Эти детекторы не имеют малых пикселей и не отличаются высокой чувствительностью, но обладают рядом преимуществ перед ПЗС и BT-CCD. Во-первых, отсутствие в передаче заряда устраняет необходимость в наличии переднего шлюза детектора и значительно увеличивает скорость считывания. Вторым преимуществом детекторов PDA является глубина ячейки, которая значительно превышает показатель для ПЗС; типичный детектор PDA имеет глубину ~156,000,000e- по сравнению с ~65,000e- для стандартного ПЗС детектора. Чем больше глубина ячейки детектора PDA, тем шире динамический диапазон (~50,000:1), а также линейность сигнала. Это свойство делает детекторы PDA идеальным инструментом для применения в тех случаях, когда требуется выбирать малые заряды в крупных сигналах, например, при мониторинге СИД.

Шум в детекторе

Основной источник шума расположен в матрице детектора, речь идет о шуме при считывании, шуме при ударе, помехах при затемнении и шуме с постоянным спектром.

Шум при считывании является следствием электронного шума на выходе детектора и применяемой схематики и определяет пределы работы спектрометра.

Ударный шум связан с статистической вариацией количества фотонов, падающих на детектор, который подчиняется Пуассоновскому распределению. Поэтому ударный шум пропорционален квадратному корню фотонного потока.

Шум при затемнении обусловлен статистическими изменениями в величине электронов, которые возникают при затемнении (отсутствии падающего на детектор света). Фотодетектор выдает слабый сигнал даже при отсутствии освещения (падающего света). Этот эффект называют темновым током или сигналом при затемнении. Темновой ток обусловлен тепловым перемещением электронов и в основном зависит от средней температуры окружающего воздуха. По аналогии с ударным шумом данный вид помех также подчиняется распределению Пуассона, поэтому шум при затемнении пропорционален квадратному корню темнового тока.

Шум с постоянным спектром является результатом вариации анизотропного фотоотклика соседних пикселей. Она обусловлена вариацией квантовой эффективности пикселей, разными апертурами и толщиной пленки и увеличивается во время обработки.

Суммарный шум детектора равен сумме квадратных корней всех четырех источников шума.

TE охлаждение

Охлаждение детектора встроенным термоэлектрическим (TE) охлаждением является эффективным способом снижения шума при затемнении, а также расширения динамического диапазона и пределов обнаружения сигнала. Для детекторов на основе Si темновой ток удваивается, если температура повышается примерно на 5 - 7 °C и сокращается вполовину при снижении температуры на 5 - 7°C.

На Рис. 3-3 показан шум при затемнении для неохлаждаемого и охлаждаемого ПЗС-детектора в течение времени интегрирования, равного 60 секундам. При работе в условиях комнатных температур шум при затемнении почти полностью рассеивается неохлаждаемым детектором ПЗС. Как только ПЗС охлаждается до 10°C, темновой ток снижается примерно в четыре раза, а шум при затемнении падает в два раза. Это позволяет ПЗС работать в течение длительного времени интегрирования с целью определения слабых оптических сигналов. Если спектрометр на основе ПЗС-матрицы работает в устройствах со слабым освещением, например, для регистрации СИД, снижение уровня шума благодаря ТЕ охлаждению имеет минимальное значение вследствие относительно короткого времени интегрирования.

Рис. 3-3 Темновой ток для охлаждаемого и неохлаждаемого ПЗС детектора (время интегрирования = 60 секунд)

Как правило, если время интегрирования спектрометра ПЗС ниже 200 мс, детектор работает в состоянии ограниченной шумности. Поэтому шум в результате охлаждения TE снижается незначительно, но температурное регулирование в этих условиях будет полезным для поддержания основной линии в течение длительного периода времени.

Часть 4. Оптическая схема

Общие сведения

Как указано в части 1, спектрометр представляет собой систему получения изображений, которая распределяет множество монохроматических изображений, полученных через входную щель, на плоскость детектора. В предыдущих трех разделах мы обсудили основные компоненты спектрометра: входную щель, дифракционную решетку, детектор. В данном разделе объясняется работа всех трех компонентов совместно с разными оптическими элементами в системе. Эта система называется спектрографом. Вариантов оптических схем довольно много, наибольшее распространение получили следующие из них: кросс-корреляционная схема Черни-Тернера, развернутая модель Черни-Тернера и вогнутые спектрографы (см. рис. 4-1, 4-2 и 4-3 соответственно).

Рис. 4-1 Кросс-корреляционная схема спектрографа Черни-Тернера

Кросс-корреляционная схема состоит из двух вогнутых зеркал и одной дифракционной решетки, как показано на рис. 4-1. Фокусное расстояние зеркала 1 выбирается таким образом, что оно коллмирует пучок света из входной щели и направляет его на дифракционную решетку. После того, как свет разложен на отдельные компоненты, зеркало 2 фокусирует рассеянный свет дифракционной решеткой в плоскость детектора.

Данная модель представляет собой компактный и удобный спектрограф. Для дифракционной решетки с угловым значением дисперсии фокусное расстояние двух зеркал можно изменять для получения разных значений линейной дисперсии. Это определяет спектральный диапазон, чувствительность и разрешение системы. Оптимальная геометрия кросс-корреляционной схемы спектрографа может создавать рассеянное спектральное поле и нормальную точность измерений. Но из-за неосевой геометрии оптическая схема Черни-Тернера выдает значительное отклонение в расположении изображения, которое способно увеличить ширину изображения из входной щели на несколько десятых микрон. Оптическая схема Черни-Тернера в основном используется для спектрометров с малым и средним разрешением. Несмотря на то, что данная конструкция не предназначена для двумерного изображения, применение асферических зеркал (например, тороидальных) вместо сферических может обеспечить определенную степень коррекции сферической аберрации и астигматизма.

Для снижения аберрации изображения оптическая схема Черни-Тернера в основном спроектирован с фокальным числом (f/# ) >3, которое, в свою очередь, задает предел пропускной способности. Фокальное число оптической системы выражает диаметр входного зрачка с точки зрения эффективности фокусной длины. Оно определяется как f/# = f/D , где f представляет собой фокусную длину оптической линзы и D выражает диаметр элемента. F-номер используется для характеристики световой силы оптической системы. Математическая соотношение фокального числа и другого важного оптического показателя - цифровой апертуры (NA ) выражается следующим образом: f/# = 1/(2·NA ), где NA цифровая апертура оптической системы - безразмерная величина, которая характеризует диапазон значений углов, под которыми система может принимать или испускать свет.

Относительно высокое значение f/# Черни-Тернера по сравнению со стандартным мульти-модовым волокном (NA ≈ 0,22 ) может стать причиной весьма высокого рассеяния света. Простым и недорогим способом устранения этого нежелательного явления служит разворот оптической схемы, как показано на рис. 4-2. Это позволяет поместить «блоки пучка» в оптический канал, снижая рассеяние света. В результате этого снижается оптический шум в системе. Это решение не приводит к искажению видимого или ближнего ИК спектров, в которых сигнал имеет максимальное значение и достигается высокая квантовая эффективность, но может стать причиной искажения средних и слабых сигналов УФ-диапазона. Это делает спектрограф Черни-Тернера отличным решением для работы в УФ спектре, когда компактность является решающим фактором.

Рис. 4-2 Развернутый спектрограф Черни-Тернера

Вогнутая голографическая решетка

Третьим наиболее распространенным вариантом оптического стола служит аберрационно-исправленная вогнутая голографическая решетка (CHG). Она используется как рассеивающий и фокусирующий элемент одновременно, это приводит к снижению количества используемых оптических элементов в системе. Подобное решение повышает эффективность спектрографа, увеличивая его пропускную способность и надежность. Голографические решетки способны корректировать аберрации изображений в сферической зоне спектрометров Черни-Тернера на заданной длине волны, с ослаблением действия в широком спектральном диапазоне.

Рис. 4-3 Вогнутый голографический спектрограф

По сравнению со штриховой решеткой голографическая решетка обеспечивает более чем 10-кратное снижение рассеяния света, которое позволяет минимизировать интерференцию из-за нежелательных явлений. Штриховая дифракционная решетка создается специальной установкой, которая нарезает штрихи в покрытии подложки решетки (зачастую стекло покрыто тонким отражающим слоем) с использованием инструмента с алмазным наконечником.

Голографическая дифракционная решетка производится с помощью фотолитографической техники, в которой применяется голографическая интерференция. Штриховая дифракционная решетка в процессе производства всегда имеет какие-либо дефекты, которые включают периодически возникающие ошибки, неточности в нанесении штрихов. Все это приводит к росту рассеяния света и раздваиванию изображения (неправильные спектральные линии, вызванные периодическими ошибками). Оптическая методика используется для производства голографических дифракционных решеток и вызывает появление периодических ошибок и других неточностей. Поэтому голографические решетки значительно снижают рассеяние света (обычно в 5-10-раз ниже по сравнению со штриховыми решетками) и удаляют раздваивание.

Штриховые решетки в основном выбираются, если используется низкая частота решетки, ниже чем 1200 штр/мм. Если частота решетки высокая, то для снижения рассеяния света необходимы вогнутые решетки, в подобном случае голографические решетки являются самым оптимальным выбором. Важно помнить о том, что максимальная дифракционная эффективность голографических решеток примерно ~35% по сравнению со штриховыми решетками, эффективность которых достигает ~80%.

Часть 5. Спектральное разрешение

Общие сведения

Одной из важнейших характеристик спектрометра является спектральное (оптическое) разрешение. Спектральное разрешение системы определяет максимальное количество спектральных пиков, которые спектрометр может определить. Например, если спектрометр имеет диапазон 200 нм и спектральное разрешение 1 нм, система способна определить до 200 длин волн (пиков) в спектре.

В дисперсионных спектрометрах существует три ключевых фактора, которые определяют спектральный диапазон устройства: входная щель, дифракционная решетка, детектор. От щели зависит минимальный размер изображения, который оптический стол может сформировать в плоскости детектора. Дифракционная решетка определяет суммарный спектральный диапазон. Детектор определяет максимальное количество и размер неярких точек, которые можно оцифровать в виде спектра.

Следует помнить о том, что наблюдаемый сигнал (S o ) зависит не только от спектрального разрешения (R ) спектрометра, но и от длины волны сигнала (S r ). В результате этого наблюдаемое разрешение представляет собой искажение (измененное значение) от двух источников:

Уравнение 5-1

Если частотный диапазон сигнала значительно шире спектрального разрешения, то данный эффект можно не учитывать и считать, что измеренное разрешение соответствует разрешению сигнала. И, наоборот, если диапазон частот сигнала значительно меньше разрешения спектрометра, то наблюдаемый спектр ограничен только разрешением спектрометра.

Для решения большинства задач следует допустить, что вы работаете с одним из этих вариантов, но в определенных ситуациях, например, в рамановской спектроскопии высокого разрешения, искажение игнорировать нельзя. Например, если спектрометр имеет спектральное разрешение ~3 см -1 , лазер выдает излучение шириной ~4 см -1 , то наблюдаемый сигнал будет иметь ширину ~5 см -1 , так как спектральные разрешения близки к друг другу (распределение Гаусса).

По этой причине, при измерении спектрального разрешения спектрометра следует понимать, что измеренный сигнал значительно уже и измерение имеет ограниченное разрешение. Это обычно решается применением эмиссионной лампы низкого давления, например, с содержанием паров Hg или Ar, так как частотный диапазон таких источников обычно существенно уже, чем спектральное разрешение спектрометра с дисперсионной решеткой. Если требуется более узкое разрешение, можно использовать лазер, работающий на одном режиме.

После получения данных от лампы низкого давления спектральное разрешение измеряется на полуширине (FWHM) процента пика.

При расчете спектрального разрешения (δλ ) спектрометра следует учитывать: ширину щели (W s ), спектральный диапазон спектрометра (Δλ ), ширину пикселя (W p ) и количество пикселей детектора (n ). Важно помнить о том, что спектральное разрешение определяется как полуширина FWHM. Грубой ошибкой при расчете спектрального разрешения является заключение о том, что для определения пикового значения FWHM требуется минимальное количество пикселей, поэтому спектральное разрешение (в предположении W s = W p ) равно троекратному разрешению пикселей (Δλ/n ). Данное соотношение можно расписать для получения параметра, известного как фактор разрешения (RF ), который определяется по отношению ширины щели к ширине пикселя. Если W s ≈ W p , то фактор разрешения равен 3. Если W s ≈ 2W p , то фактор разрешения снижается до 2,5 и продолжает снижаться до тех пор, пока не будет соблюдаться соотношение W s > 4W p , в этом случае фактор разрешения достигает значения 1,5.

Все вышесказанное можно подытожить уравнением:

Уравнение 5-2

Например, если в спектрометре используется щель размером 25 мкм, 14 мкм, 2048-пиксельный детектор и спектральный диапазон составляет 350-1050 нм, то расчетное разрешение равно 1,53 нм.

Часть 6. Выбор оптического волокна

Общие сведения

При настройке спектрометра на выполнение работы важным является правильный выбор оптического волокна. Несмотря на наличие множества факторов, влияющих на данный выбор, следует обратить внимание на два ключевых параметра: диаметр волновода и поглощение света. Рассмотрим оптическое волокно и его применение в спектрометре. Затем обсудим обе характеристики, отмеченные выше, и их влияние на пропускную способность оптического волокна.

Технические характеристики

Оптическое волокно называют «световодом». Световоды напоминают собой водопроводные трубы, по которым вода перетекает из водонапорной станции в дом. Световод не освещает пространство вокруг, как лампочка в ванной комнате или кухне, поскольку в световоде наблюдается эффект полного отражения света.

Чтобы понять это, следует рассмотреть такое оптическое свойство, как преломление. Оно зависит от скорости света и материала, через который проходит свет. При перемещении света из одной оптической среды в другую среду, его скорость снижается относительно поверхности разделения сред.

Сила преломления рассчитывается как:

Уравнение 6-1

где n представляет собой коэффициент преломления, v - скорость света в среде, c - скорость света в вакууме. Например, коэффициент преломления воздуха равен 1,000293, он показывает, что скорость света в воздухе почти точно соответствует скорости света в вакууме, а коэффициент преломления в воде равен 1,333, свет перемещается в воде 25% медленнее, чем в вакууме.

Соотношение между коэффициентом преломления и углом падения света определяется по закону Снеллиуса:

Уравнение 6-2

Из данного уравнения следует, что угол преломления света (θ 2 ) зависит от соотношения коэффициентов двух материалов (n 1 /n 2 ), а также угла падения света (θ 1 ). В результате этого, меняя соотношение коэффициентов, можно добиться такого угла преломления, при котором весь падающий свет отражается от поверхности разделения сред (без выхода за пределы среды). Данное явление называется внутренним отражением и именно оно используется в световоде.

На рис. 6-1 показана конструкция волокна, которая обеспечивает полное внутреннее отражение с использованием двух типов стекол. Более низкий коэффициент применяется в оболочке, а более высокий коэффициент в световоде. Это позволяет собирать свет в одном месте и перемещать его в другое, поэтому оптические волокна являются идеальным решением для подачи света в спектрометр.

Рис. 6-1 Общее внутреннее преломление света в оптическом волокне

Поскольку весь свет проходит через световод, его диаметр влияет на светопередачу. Интуитивно понятно, что чем шире диаметр световода, тем выше чувствительность и соотношение «сигнал-уровень шума» спектрометра. Поскольку это утверждение верно до определенной степени, то имеются и другие ограничивающие факторы, которые следует рассмотреть при выборе оптического волокна.

Во-первых, необходимо обратить внимание на высоту пикселя детектора. Как показано в предыдущих разделах, оптический стол спектрометра предназначен для формирования изображения входной щели на плоскости детектора. Если пиксели детектора имеют высоту 200 мкм, можно выбрать волокно с диаметром световода 400 мкм, 50% падающего на детектор света теряется. В данном случае, нет преимуществ от применения более широкого световода, но существует способ избежать этого добавлением цилиндрической линзы в оптический стол перед детектором.

Рис. 6-2 Интенсивность сигнала в зависимости от диаметра световода и установки цилиндрической линзы

Цилиндрическая линза фокусирует изображение входной щели на оси, перпендикулярной к матрице без искажений изображений вдоль оси и параллельно матрице на плоскости детектора. Это позволяет свету через волокно падать на пиксели детектора, повышая чувствительность всей настройки. Рис. 6-2 показывает, что данный метод эффективен в отношении волокон диаметром до 600 мкм.

Поглощение света

Другим важным фактором служит поглощение света оптическим волокном. Если свет поглощается волокном, он не будет определен спектрометром.

При стандартном процессе производства оптических волокон ионы OH- случайно проникают в волоконное стекло через плазменные горелки, которые необходимы для смягчения сосуда, в этом случае его можно ввести в волокно. Присутствие данных ионов в волокне создает очень сильный эффект поглощения в диапазоне ближнего ИК, который может существенно ухудшить результаты измерения в данной области излучения. Во избежание этого при использовании волокон в спектроскопии ближнего ИК, они должны производиться с использованием специальных горелок с малым показателем ОН.

Рис. 6-3 Сравнение стандартного оптического волокна и волокна с малым содержанием ионов ОН в спектроскопии ближнего ИК

В спектре УФ присутствует довольно сильное поглощение. Это свойство связано с фотохимическим эффектом, известным как инсоляция, который ухудшает качество измерений в диапазоне УФ, особенно ниже 290 нм.

По этой причине чрезвычайно важно обратить особое внимание при выборе волокна для решения специальных задач. При работе в спектре ближнего ИК необходимо убедиться в том, что волокна имеют малое содержание ионов OH (их также называют ближнего ИК-волокнами). При работе в видимом спектре излучения и в спектре УФ применяют стандартные оптические волокна, которые называются УФ-волокнами. При работе в глубоком диапазоне УФ (< 290 нм) требуются волокна с высоким сопротивлением инсоляции, их называют SRUV-волокнами.

Спектрофотометры - современное оборудование, предназначенное для изучения свойств веществ или предметов посредством анализа спектра оптического диапазона электромагнитного излучения, прошедшего через образец или отраженного от него. Проще говоря, спектрофотометры сравнивают поток света, изначально направленный на изучаемый образец, с потоком света, прошедшим через образец или отразившимся от него. Для исследований сканируют максимально широкий диапазон длин волн - от 160 нм (область ультрафиолета) до 3300 нм (инфракрасная область), что позволяет получить максимум информации о веществе.

Методы спектрофотометрии основаны на том, что своими, характерными только для него, спектральными свойствами, обладает каждое вещество. При этом не имеют значения агрегатное состояние, температура, взаимодействие образца с другими веществами, например, в смеси или химическом соединении. С помощью спектрофотометров возможны качественные и количественные исследования.

Сложнее и дороже обычных фотоколориметров, но зато они точнее и позволяют решать более сложные задачи. Большим преимуществом спектрофотометров является возможность делать вывод о составе вещества, наличии и количестве примесей, в то время как фотоколориметры работают только с уже известными растворами. Например, подделку красного вина с помощью фуксина определить фотоколориметром невозможно, так как цвет раствора фуксиновых солей идентичен цвету натурального вина. А вот спектрофотометр легко выявит и идентифицирует нетипичный спектр посторонней примеси.

Устройство спектрофотометра

Спектрофотометры всех видов состоят из следующих основных компонентов:
- источник света;
- монохроматор;
- оптические элементы, направляющие световой поток: стекла, призмы, зеркала, световоды и пр.;
- отделение для изучаемого вещества, твердого или жидкого;
- фотоприемник;
- усилитель сигналов.

В качестве источника света применяются обычные вольфрамовые лампы, работающие в видимом и инфракрасном спектре, дейтериевые лампы для УФ-диапазона, комбинированные галогено-дейтериевые лампы с диапазоном от ультрафиолетового до инфракрасного.

В монохроматоре используют призмы или дифракционные решетки, выделяющие излучение определенной длины волны, обычно с точностью ±10 нм (прецизионные лабораторные приборы позволяют производить анализ с точностью ±2 нм).

Отделение для изучаемого вещества может быть приспособлено как для одного образца, так и для нескольких, а также для оперативного проточного анализа.
Фотоприемники фиксируют уровень светового потока, прошедшего через исследуемый образец. Результаты могут отображаться в разных видах, в зависимости от назначения прибора и от выбора вида исследования. Как правило, спектрофотометры оснащаются несколькими типами фотоприемников для того, чтобы фиксировать излучение в различных областях спектра. Например, сурьмяно-цезиевый способен фиксировать излучение с длиной волны от 186 до 700 нм, а полупроводниковый на основе PbS - от 700 до 1800 нм.

Самые современные спектрофотометры оснащаются фотодиодной матрицей с встроенными датчиками для каждого диапазона длин волн. Все датчики преобразуют световые сигналы в электрические одновременно, позволяя специализированным микроконтроллерам практически мгновенно выводить результаты анализов на дисплей. (Обычные спектрофотометры обрабатывают сигналы для волн разной длины последовательно.) От того, сколькими фотодиодными датчиками оснащен прибор, зависит его разрешающая способность. Спектрофотометры с фотодиодной матрицей позволяют проводить оперативные анализы прямо на производстве и в момент химической реакции, анализируя состояние реакционных продуктов.

В следующей статье мы расскажем о принципе работы спектрофотометров, местах их применения и особенностях подбора подходящего оборудования для лаборатории.

Фотометрические исследования проводят с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать часть исследуемого раствора, содержащего все добавляемые компоненты, кроме реагента, образующего с определенным веществом окрашенное соединение. Если раствор сравнения при этом остается бесцветным и, следовательно, не поглощает лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

Устройство и принцип действия фотометрических приборов рассмотрим на примере фотоэлектрических концентрационных колориметров КФК-2, КФК-3 и спектрофотометра СФ-46.

Однолучевой фотометр КФК-2 предназначен для измерения пропускания, оптической плотности и концентрации окрашенных растворов, рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в области спектра 315-980 нм. Пределы измерения пропускания - 5-100 % (D = 0-1,3). Основная абсолютная погрешность измерения пропускания - 1 %.

Принципиальная оптическая схема фотоколориметра КФК-2 представлена на рис. 2.16.

Свет от галогенной малогабаритной лампы проходит последовательно через систему линз, теплозащитный 2, нейтральный 3, выбранный цветной 4 светофильтры, кювету 5 с раствором, попадает на пластину 6, которая делит световой поток на два: 10 % света направляется на фотодиод (при измерениях в области спектра 590-980 нм) и 90 % - на фотоэлемент (при измерениях в области спектра 315-540 нм).

Характеристики светофильтров представлены в табл. 2.2.

Рис. 2.16.

• 1 - источник света; 2 - теплозащитный светофильтр;
• 3 - нейтральный светофильтр; 4 - цветной светофильтр;
• 5 - кювета с исследуемым раствором или раствором сравнения;
• 6 - пластина, которая делит световой поток на два потока;
• 7 - фотодиод; 8 - фотоэлемент

Таблица 2.2

Спектральные характеристики светофильтров к фотоколориметру КФК-2

Маркировка на диске	Маркировка светофильтра	Длина волны, соответствующая максимуму пропускания, нм

(рис. 2.17) предназначен для выполнения химических анализов растворов. Его принципиальная оптическая схема представлена на рис. 2.18.

Нить лампы 1 изображается конденсором 2 в плоскости диафрагмы Д, заполняя светом щель диафрагмы. Далее диафрагма Д изображается вогнутой дифракционной решеткой 4 и вогнутым зеркалом 5 в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д.,. Дифракционная решетка 6 и зеркало создают

Рис. 2.17.

Рис. 2.18.

• 1 - нить лампы; 2 - конденсор; 3 - световой фильтр;
• 4 - вогнутая дифракционная решетка; 5 - вогнутое зеркало;
• 6 - дифракционная решетка; 7,8 - объектив; 9 - кюветы;
• 10 - линза; 11 - приемник

в плоскости диафрагмы Д 2 растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси, параллельной штрихам решетки, щелью диафрагмы Д., выделяют излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Объектив 7, 8 создает в кюветном отделении слабо светящийся пучок света и формирует увеличенное изображение щели Д 2 перед линзой 10. Линза 10 сводит пучок света на приемнике 11 в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра за диафрагмой Д 1 установлен световой фильтр 3, который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315-400 нм, а затем автоматически выводится. В кю- ветное отделение (между объективом 7,8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы 9.

Фотоэлектроколориметр КФК-3 имеет следующие технические характеристики:

• - спектральный диапазон - 315-990 нм;
• - спектральный интервал, выделяемый монохроматором фотометра - не более 7 нм;
• - предел измерения коэффициента пропускания - 0,1-100%;
• - предел измерения оптической плотности - 0-3;
• - предел допускаемой основной абсолютной погрешности установки длины волны - 3 нм;
• - напряжение сети переменного тока - 220 ± 22 В;
• - частота сети переменного тока - 50-60 Гц;
• - потребляемая мощность - не более 60 В х А;
• - габаритные размеры - 500 мм х 360 мм х 165 мм;
• - масса - 15 кг.

Спектрофотометр СФ-46 предназначен для измерения спектральных коэффициентов пропускания жидких и твердых веществ в области спектра 190-1100 нм. Диапазон измерения спектральных коэффициентов пропускания - от 1 до 100 %. Абсолютная погрешность измерения не превышает 1 %, а стандартное отклонение пропускания - не более 0,1 %.

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

В основу работы спектрофотометра СФ-46 (рис. 2.19) положен принцип измерения отношения двух световых потоков: потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).

Рис. 2.19.

Световой пучок от осветителя попадает в монохроматор через входящую щель и разлагается дифракционной решеткой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через образец, попадает на катод фотоэлемента в приемно-усилительном блоке. Электрические сигналы на резисторе, включенном в анодную цепь фотоэлемента, пропорциональны потокам излучения, падающим на фотокатод.

Усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления, близким к единице, обеспечивает передачу сигналов на вход микропроцессорной системы (МПС), которая по команде оператора поочередно измеряет и запоминает напряжения U т, U Q и U, пропорциональные темновому току фотоэлемента, потоку, прошедшему через контрольный образец, и потоку, прошедшему через исследуемый образец. После измерения МПС рассчитывает коэффициент пропускания исследуемого образца по формуле

В режиме определения оптической плотности образца МПС начислит оптическую плотность по формуле D = -lgТ.

Значение измеренной величины высвечивается на цифровом фотометрическом табло.

На рисунке 2.20 представлена оптическая схема спектрофотометра СФ-46.

Рис. 2.20. Оптическая схема спектрофотометра СФ-46:

• 1,1"- источники излучения; 2 - зеркальный конденсатор;
• 3, 10 - поворотные зеркала; 4, 8, 9 - линзы; 5 - входная щель;
• 6 - дифракционная решетка; 7 - выходная щель;
• 11, 12 - фотоэлементы

Изучение от источника 1 или 1" падает на зеркальный конденсатор 2, который направляет его на плоское поворотное зеркало 3 и дает изображение источника излучения в плоскости линзы 4 , расположенной вблизи входной щели 5 монохроматора. Прошедшее через входную щель излучение падает на вогнутую дифракционную решетку 6 с переменным шагом и криволинейным штрихом. Решетка изготовляется на сферической поверхности, поэтому помимо диспергирующих свойств она обладает свойством фокусировать спектр. Применение переменного шага и криволинейного штриха значительно уменьшает аберрационное искажение вогнутой дифракционной решетки и позволяет получить высокое качество спектра во всем рабочем спектральном диапазоне.

Дифракционный пучок фокусируется в плоскости выходной щели 7 монохроматора, расположенной над входной щелью 5. Сканирование осуществляется поворотом дифракционной решетки, при этом монохроматическое излучение различных длин волн проходит через выходную щель 7 и линзу 8, контрольный или измеряемый образец, линзу 9 и с помощью поворотного зеркала 10 попадает на светочувствительный слой одного из фотоэлементов 11 или 12.

Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра.

Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерения в области спектра от 186 до 700 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент - для измерения в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указывается в паспорте.

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

Шаги

Часть 1

Подготовка образцов

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

• Используйте время разогрева прибора для подготовки образцов.

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

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

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

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

   Часть 2

   Проведение эксперимента

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

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

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

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

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

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

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

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