Спектрофотометр идентифицирует передачу определенного вещества путем определения наблюдаемого цвета. Инструмент обычно используется для измерения концентрации РНК и . Кроме того, ферментативные и химические реакции изменяют цвет с течением времени, а спектрофотометр полезен для измерения различных изменений цвета.
Как работают спектрофотометры?
Спектрофотометр использует источник света для создания отдельных длин волн видимого света, одновременно создавая длины волн света в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Дифракционная решетка и фильтры делят свет на отдельные длины волн, направляя небольшой диапазон длины волны через предоставленный образец. Фотодетектор преобразует свет, полученный через образец, в ток, отправленный в процессор сигналов. После того, как процессор сигналов преобразует ток, значения концентрации, поглощающая способность и коэффициент пропускания отображаются на цифровом дисплее прибора.Устройство спектрофотометра
Каковы компоненты спектрофотометра?Спектрофотометр имеет несколько частей, которые включают фильтр, фотодетектор, источник света и процессор сигналов. Однако два основных компонента состоят из фотометра и спектрометра. Фотометр измеряет интенсивность света, в то время как спектрометр измеряет, производит и рассеивает свет. Эти компоненты объединяются, образуя два разных типа спектрофотометра.
Типы спектрофотометров
- однолучевой;
- двухлучевой;
Как использовать спектрофотометры?
Для использования спектрофотометра очистите кювету. Важно надеть перчатки, так как любые отпечатки пальцев или грязь, могут повлиять на результаты. Затем добавьте раствор и установите спектрофотометр на предпочтительную длину волны. Поместите пустую кювету внутрь инструмента и нажмите кнопку «установить нуль», чтобы калибровать прибор на желаемую длину волны. Добавьте решение для расчета поглощающей способности.Закон Беэр-Ламберта в Спектрофотометрии
Для использования спектрофотометра важно понимать само понятие "спектр света" и знать закон Бера-Ламберта . Спектр состоит из радуги цветов, создаваемых, когда композитный свет, такой как белый свет, разделяется на несколько компонентных цветов. Спектрофотометрия использует источник света, коллиматор, монохроматор, раствор и детектор.Уравнение закона Беэр-Ламберта показывает линейную зависимость между впитывающей способностью и концентрацией образца. Это понимание требует определения того, что поглощающая способность прямо пропорциональна длине пути кюветы, а также любому поглощению предпочтительного образца. Реакции измеряются увеличением поглощения, поскольку наблюдаются изменения цвета. Научные машины, такие как спектрофотометры или , помогают улучшить исследования в лабораториях химии, биологии и биохимии.
Где применяется спектрофотометр и как измеряет? Все, что Вы должны знать
Как уже говорилось, спектрофотометр является одним из научных инструментов, широко распространенных во многих исследовательских и промышленных лабораториях. Спектрофотометры используются для исследований в лабораториях физики, молекулярной биологии, химии и биохимии. Как правило, название относится к ультрафиолетовой видимой (UV-Vis) спектроскопии.Энергия света зависит от длины волны, обычно обозначаемой как лямбда. Хотя электромагнитный спектр распространяется в огромном диапазоне длин волн, большинство лабораторий может измерять только небольшую их часть. UV-Vis Spectroscopy измеряет от 200 до 400 нанометров (нм) для измерений ультрафиолетового света и до приблизительно 750 нм в видимом спектре.
Для УФ-видимой спектроскопии образцы обычно содержатся и измеряются в небольших контейнерах, называемых кюветами. Они могут быть пластичными, если используются в видимом спектре, но должны быть кварцевыми или плавлеными кварцами, если используются для измерений в ультрафиолетовых лучах. Есть некоторые машины, которые могут использовать стеклянные пробирки.
Видимая спектроскопия часто используется в промышленности для колориметрии. Используя этот метод, образцы измеряются на нескольких длинах волн от 400 до 700 нм, и их профили поглощения сравниваются со стандартом. Этот метод часто используется производителями текстиля и чернил. Другими коммерческими пользователями UV-Vis Spectroscopy являются судебно-медицинские лаборатории и принтеры.
В биологических и химических исследованиях растворы часто измеряются путем измерения степени поглощения света на определенной длине волны. Значение, называемое коэффициентом экстинкции, используется для расчета концентрации соединения. Например, лаборатории молекулярной биологии используют спектрофотометры для измерения концентрации образцов ДНК или РНК. Иногда у них есть продвинутый аппарат, называемый спектрофотометром NanoDrop ™, который использует долю количества образца по сравнению с тем, который используется традиционными спектрофотометрами.
Чтобы количественная оценка была действительной, образец должен соответствовать закону Бера-Ламберта. Это требует, чтобы поглощение было прямо пропорционально длине пути кюветы и поглощению соединения. Есть таблицы коэффициентов вымирания, доступные для многих, но не для всех соединений.
Многие химические и ферментативные реакции меняют цвет с течением времени, и спектрофотометры очень полезны для измерения этих изменений. Например, полифенолоксидазы, которые приводят к коричневому цвету плодов, окисляют растворы фенольных соединений, превращая прозрачные растворы в те, которые имеют видимую окраску. Такие реакции могут быть проанализированы путем измерения увеличения поглощения при изменении цвета. В идеале скорость изменения будет линейной, и по этим данным можно рассчитать показатели. Более продвинутый спектрофотометр будет иметь термостатированный кюветный держатель для проведения реакций при точной температуре, идеальной для фермента.
Микробиологические и молекулярно-биологические лаборатории часто используют спектрофотометр для измерения роста культур бактерий. Эксперименты по клонированию ДНК часто проводятся на бактериях, и исследователи должны измерить стадию роста культуры, чтобы знать, когда проводить определенные процедуры. Они измеряют поглощение, которое известно как оптическая плотность (OD), на спектрофотометре. По ОД можно судить, активно ли делятся бактерии или начинают ли они умирать.
Спектрофотометры используют источник света для освещения массива длин волн через монохроматор. Затем это устройство пропускает узкую полосу света, и спектрофотометр сравнивает интенсивность света, проходящего через образец, с интенсивностью света, проходящей через контрольное соединение. Например, если соединение растворяют в этаноле, эталоном будет этанол. Результат отображается как степень поглощения разности между ними. Это указывает на поглощение образца соединения.
Причиной такого поглощения является то, что как ультрафиолетовый, так и видимый свет имеют достаточно энергии для возбуждения химических веществ до более высоких уровней энергии. Это возбуждение приводит к более высокой длине волны, которая видна, когда поглощение наносится на график в зависимости от длины волны. Различные молекулы или неорганические соединения поглощают энергию на разных длинах волн. Те с максимальным поглощением в видимой области видны как окрашенные человеческим глазом.
Растворы соединений могут быть прозрачными, но поглощать в УФ-диапазоне. Такие соединения обычно имеют двойные связи или ароматические кольца. Иногда имеется один или несколько обнаруживаемых пиков, когда степень поглощения отображается в зависимости от длины волны. Если это так, это может помочь в идентификации некоторых соединений путем сравнения формы графика с формой известных контрольных графиков.
Существует два типа ультрафиолетовых спектрофотометров: однолучевой и двухлучевой. Они отличаются тем, как они измеряют интенсивность света между эталонным и тестовым образцом. Двухлучевые машины измеряют эталонный и тестовый состав одновременно, в то время как однолучевые машины измеряют до и после добавления тестируемого состава.
Спектрофотометрия — это метод, с помощью которого измеряют химический состав изучаемого вещества. Спектрофотометр пропускает через образец поток световых лучей любой длины и диапазона.
Образцом в данном случае выступает раствор изучаемого вещества в жидкости, размещенный в прозрачном для излучения кювете. Причем спектрофотометры выпускаются как с наличием источника УФ - лучей, инфракрасных лучей, так и работающие в оптическом диапазоне, который виден человеку.
С помощью этого прибора измеряют отношение двух потоков оптического излучения. Один поток падает на исследуемый образец, а другой поток испытывает какое - либо взаимодействие с данным образцом. Спектрофотометр производит измерения для различных длин волн оптического излучения. В результате этих операций получается спектр отношений потоков. Данные приборы используются в медицине и в промышленной отрасли для контроля технологических процессов. С помощью спектрофотометра определяют состав и наличие примесей в различных жидкостях, таких как медицинские растворы, вода, продукты нефтяной и химической промышленности, продукция лакокрасочного производства.
Как устроен спектрофотометр
Оптическая схема простейшего спектрофотометра приведена на рисунке. В качестве источников излучения
в приборах наиболее широко используются газоразрядная водородная лампа и вольфрамовая лампа накаливания.
Газоразрядная водородная лампа обеспечивает сплошной спектр в ультрафиолетовой области и особенно удобна для измерений от 200 до 350 нм.
Вольфрамовая лампа накаливания используется для работы в ближней ультрафиолетовой области, видимой и ближней инфракрасной области, т. е. в пределах от 320 до 3000 нм. Ртутные лампы обеспечивают очень высокую интенсивность в ультрафиолетовой и видимой областях, давая интенсивную линию спектра ртути и сплошное излучение. Ртутные лампы необходимо нагревать в течение 15 минут, прежде чем они начнут давать постоянное излучение.
Недостатком является высокая температура, которую ртутная лампа приобретает при работе.
Ксеноновые разрядные лампы применяются в ряде приборов для измерений в области от 200 до 900 нм.
Монохроматор
- приспособление для изолирования очень узкой полосы излучения из источника света. Смешанное излучение проходит через щель в монохроматор, в котором луч разделяется на спектр при помощи призмы или дифракционной решетки. Этот спектр фокусируется на выход щели. Путем вращения призмы или дифракционной решетки можно выделить определенную часть спектра, которая через щель направляется в кюветное отделение, где находится раствор исследуемого вещества.
Классификация спектрофотометров
Учитывая назначение и конструкцию спектрофотометров, их можно разделить на три группы: простые, двуволновые, приборы с фотодиодной решеткой.
Эти приборы могут быть стационарными (самый популярный - ). Такие виды эксплуатируются только в лабораториях для проведения различных технологических процессов.
Второй вид спектрофотометров — портативный, который предназначен для работы в полевых условиях и в различных помещениях. Портативные приборы могут быть применены для небольшого узкого круга применяемых методик измерений.
Современный рынок лабораторного оборудования большим ассортиментом спектрофотометров. Они отличаются друг от друга строением оптических систем, функциональными возможностями и, конечно, .
Выбирая такой прибор необходимо определиться с ценой и моделью, которая поможет быстро и качественно решить поставленные задачи.
В 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.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.
Для фотометрических измерений используют две большие группы приборов: фотоколориметры и спектрофотометры. В колориметрах нужные спектральные диапазоны выделяются при помощи светофильтров, ограничивающих участки спектра, в которых могут проводится измерения. В спектрофотометрах участки спектра выделяются при помощи призм или дифракционных решеток, что позволяет устанавливать любую длину волны в заданном диапазоне.
Конкретная последовательность операций при измерении оптической плотности или пропускания зависит от конструкции спектрофотометра или колориметра.
Однако основные принципы остаются неизменными. Сначала устанавливают необходимую длину волны, выбирая светофильтр на колориметре или вращая соответствующую рукоятку на спектрофотометре. Затем устанавливают нуль. Для этого в световой поток помещают кювету со стандартным раствором. Изменяя ширину щели, добиваются того, чтобы показания прибора соответствовали величине, предусмотренной инструкцией. На следующем этапе стандартный раствор заменяют исследуемым и производят отсчет величины оптической плотности или пропускания.
Современные спектрофотометры позволяют работать с высокомонохроматизированным потоком излучения. Они применяются для концентрационного анализа и при изучении спектров поглощения веществ.
Устройство и принцип действия спектрофотометра. Структурную схему спектрофотометра можно представить в виде следующих основных блоков:
источник света, монохроматор, кюветное отделение, фотоэлемент, регистрирующее устройство.
Световой пучок от источника света попадает в монохроматор через входную щель и разлагается дифракционной решеткой или призмой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через кювету, попадает на фотоэлемент, который преобразовывает световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.
Монохроматоры. Монохроматор – это оптическая система, выделяющая из всего спектра источника света излучение определенной длины волны. Это обычно призмы, по-разному преломляющие свет разных длин волн, или дифракционные решетки. В видимой области используются обычные стеклянные призмы, но в ультрафиолетовой области они не годятся, поскольку стекло начинает поглощать уже при λ < 400 нм, поэтому призмы делают из кварца.
В качестве монохроматоров применяются также дифракционные решетки, которые представляют собой плоскопараллельную пластину с нанесенными на ней параллельными линиями – бороздками. Белый свет из-за дифракции на параллельных бороздках разлагается на непрерывный спектр. Обычно в монохроматорах сначала выделяют пучок света с определенным диапазоном длин волн с помощью призмы, а затем разлагают его еще раз решеткой. Так получают строго монохроматический свет. Основное достоинство дифракционных решеток состоит в том, что можно увеличивать их разрешающую способность, поскольку она прямо пропорциональна плотности линий. Кроме того, во всем диапазоне длин волн дифракционные решетки имеют линейное разрешение, тогда как разрешение призменного монохроматора с увеличением длины волны уменьшается.
Кюветы. Исследуемое вещество растворяют в соответствующем растворе и помещают в оптически прозрачный сосуд для измерений – кювету. Обычно кюветодержатель имеет ячейки для четырех кювет. Поскольку стекло поглощает ультрафиолетовый свет, для проведения измерений в ультрафиолетовой области спектра используют кварцевые кюветы. Для измерений в видимой области можно использовать пластиковые или стеклянные кюветы. При работе с летучими или химически активными веществами кюветы закрывают крышками.
Поскольку кювета, помещенная в спектрофотометр, становится составной частью его оптической системы, с ней нужно обращаться очень аккуратно. Царапины и грязь на стенках кюветы сильно рассеивают и поглощают свет, искажая результаты измерений. Об этом особенно надо помнить при работе в ультрафиолетовой области. Кюветы можно протирать мягкими тканями, например, из хлопка. Не рекомендуется использовать для этих целей фильтровальную бумагу. Поскольку органические молекулы поглощают в ультрафиолетовой области, ни в коем случае нельзя касаться оптических (прозрачных) стенок кюветы. Раствор лучше заливать в кювету, поставив ее в предварительно вынутый из прибора кюветодержатель. Кюветы довольно хрупки, особенно кварцевые, поэтому работать с ними надо осторожно, не допуская механических повреждений.
Содержимое кюветы должно быть гомогенным – это необходимое условие получения воспроизводимых данных. Нужно следить за тем, чтобы раствор не был мутным. Особенно мешают измерениям пузырьки воздуха, сильно увеличивающие рассеяние. Нельзя наливать в кювету очень холодный раствор, поскольку при этом на наружных стенках кюветы конденсируются пары воды воздуха, и стенки становятся непрозрачными.
Если кюветы загрязнены посторонними примесями, их следует промыть дистиллированной водой и (или) растворителем, в котором растворено исследуемое вещество. Кюветы можно мыть мягкими детергентами. Не рекомендуется мыть кюветы концентрированными кислотами или щелочами, а также другими травящими агентами.
Кюветы нужно заполнять до такого уровня, чтобы поток излучения проходил целиком через слой раствора. Чаще всего используются кюветы с оптическим путем 1 см, в которые обычно заливают 2,5–3 мл раствора. В такие кюветы входит 4–5 мл, но заполняют их полностью лишь в том случае, когда это необходимо. Есть кюветы с оптическим путем 50, 20, 5, 2 и 1 мм.
Фотоэлементы. Фотоэлементы преобразовывают световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.
Фотоны, бомбардируя поверхность фотоэлемента, выбивают из него электроны, количество которых пропорционально интенсивности света. Эти электроны летят к положительному электроду. В результате в замкнутой цепи возникает электрический ток, который регистрируется по падению напряжения на сопротивлении, находящемся в этой цепи. Напряжение можно усилить, и после компенсации такого сигнала потенциометром, отградуированном в единицах поглощения, на датчике регистрируется непосредственно поглощение образца.
Фотоумножители обычно более чувствительны, чем простые фотоэлементы.
Это происходит из-за того, что электроны, вылетевшие из фоточувствительного слоя, ускоряются высоким напряжением, а из-за соударений в газе возникают вторичные электроны, что и приводит к возрастанию тока.
Ширина щели. От размера щели зависит диапазон длин волн света, падающего на образец. Поэтому для получения надежных результатов надо работать при минимально узкой для данных условий эксперимента щели. Если щель выбрана правильно, то при изменении ее размеров вдвое показания прибора не меняются.
Устройство спектрофотометров и их характеристики могут значительно отличаться в зависимости от производителя и задач, для решения которых рассчитан прибор. Однако основные элементы конструкции у всех приборов сходны. Это источник света, монохроматор, кюветное отделение с образцом и регистрирующего детектора. В качестве источника света чаще всего используются ртутные или галогеновые лампы. Монохроматор - устройство для выделения из всего излучаемого спектра какой-то узкой его части (1-2 нм). Монохроматоры могут быть построены на основе разделяющих свет призм либо на основе дифракционной решетки. Также в некоторых приборах могут дополнительно применяться наборы светофильтров. Кюветное отделение может быть оборудовано механизмами для термостатирования, перемешивания, добавления вешеств непоспедственно в ходе процесса измерения. Для исследований малых объемов веществ может использоваться безкюветная технология, когда образец удерживается за счет сил поверхностного натяжения жидкости.
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.
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ СПЕКТРОФОТОМЕТРА
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.
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: 12,5 12,5 45 мм, а внутренние - 10 10 мм. Кюветы с меньшим внутренним объемом, выпускаемые одним производителем имеют тот же внешний размер, что и стандартные, но внутренний, например 10 1,25 мм.
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.
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.
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 рисунке 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.
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.
Загрузка...