Устройство приборов

Базовое программное обеспечение работает в среде Windows 9х/ХР и обеспечивает измерение спектров, тестирование спектрометра, работу со спектральной базой данных. Имеется большой набор операций, предназначенных для обработки, анализа и отображения спектров.

Разработаны пакеты программ для решения различных прикладных задач: многокомпонентный количественный анализ, факторный анализ, идентификация спектров по заданной библиотеке и др.

Для спектрометров имеется большой набор оптических приставок и приспособлений для ИК спектроскопии: разборные и неразборные жидкостные кюветы, газовые кюветы, в том числе многоходовые, приставки для измерения зеркального и диффузного отражения, приставки МНПВО, прессы и пресс-формы для изготовления таблеток КВг, ИК микроскоп.

 

 

Обозначения и терминология, используемые в спектрометрии.

Спектрометрия – область физики, связанная с измерением спектров.

Длина волны (λ) – расстояние между двумя точками, находящимися в одной фазе двух смежных волн. Единицы измерения: Å, мкм, нм.

Ангстрем, Å – единица длины, равная 10^{-8 см.}

Нанометр, нм – единица длины, равная 10^{-9 см (миллимикрон).}

1Å = 10 нм

Микрометр, мкм – единица длины, равная 10^{-6 см (микрон, μ).}

1 мкм = 100 Å; 1 мкм = 1000 нм

Волновое число – число волн, приходящихся на единицу длины. Обычно единицей волнового числа является обратный сантиметр (см^-1), который представляет собой обратную величину длины волны, когда последняя измеряется в см в вакууме.

Частота – число колебаний в единицу времени. Единица измерений – герц (Гц), размерность 1 с.

Ультрафиолетовая область спектра – область электромагнитного спектра с λ = 10-300 нм (наиболее применима область 200-380 нм).

Видимая область спектра – область электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом с λ ≈ 380-780 нм.

Инфракрасная область спектра – область электромагнитного спектра с λ от 780 до 30000 нм.

Пропускание, Т – отношение интенсивности излучения, прошедшего через образец (I) к интенсивности излучения, падающего на образец (I_o), т.е. Т = I/I_o.

Поглощение А или экстинкция Е – десятичный логарифм обратной величины пропускания: А(Е) = lg 1/Т.

Группировки, вызывающие избирательное поглощение электромагнитного колебания в видимой и ультрафиолетовой части спектра, называются хромофорами.

При образовании сопряженных связей в молекуле энергия возбужденного состояния электронов уменьшается, и, следовательно, хромофор начинает поглощать свет большей длины волны. Такой сдвиг в спектрах поглощения называется батохромным. Наоборот, сдвиг спектра в коротковолновую область именуется гипсохромным. Гиперхромный и гипохромный эффекты – это соответственно увеличение и уменьшение экстинкции.

 

 

Устройство приборов

Приборы для селективного поглощения излучения растворами называются спекрофотометрами. При всем многообразии схем и конструктивных особенностей приборов абсорбционной спектроскопии в каждом из них имеется несколько основных узлов, функции которых примерно одинаковы в разных приборах. Такими узлами являются: источник света, монохроматор света, кювета с исследуемым веществом, приемник света.

В приборах абсорбционной спектроскопии свет от источника освещения проходит через монохроматор и падает на кювету с исследуемым веществом. Интенсивность монохроматического света, прошедшего через кювету, измеряется приемником света.

В видимой области источником света являются специальные лампы накаливания с вольфрамовой спиралью с высокой температурой нити, чтобы максимум испускания был смещен как можно дальше в видимую область. Такие лампы называют перекальными.

В качестве источника УФ-излучения обычно применяется водородная (дейтериевая) лампа: электрическая дуга в атмосфере водорода при низком давлении, которая дает практически непрерывный спектр излучения в области 200 – 400 нм.

Кроме того, используют ртутные лампы. В ртутной лампе разряд происходит в парах ртути. Возбужденные атомы ртути испускают линейчатый спектр, в котором преобладает излучение с длиной волны 254, 302, 334 нм.

Монохроматоры и светофильтры предназначены для выделения из полихроматического спектра источника узкого участка, который в условиях опыта можно считать монохроматическим.

Светофильтры – это окрашенные стекла, пропускающие полосу 20 – 50 нм. Светофильтры применяют в колориметрах для выделения спектрального участка, в котором анализируемый раствор имеет наибольшую величину абсорбции (поглощения). Колориметры имеют набор светофильтров, непрерывно перекрывающих весь видимый участок спектра. Плавное изменение длины волны светового потока возможно с помощью монохроматоров. Наибольшее распространение имеют призменные монохроматоры и монохроматоры с дифракционной решеткой.

Основным элементом призменного монохроматора является диспергирующая призма, которая разлагает полихроматическое излучение в спектр (рис.). Излучение источника фокусируется конденсором на входной щели монохроматора. Входная щель установлена в фокусе коллиматорной линзы, направляющей параллельный пучок лучей на грань призмы. Диспергированные лучи фокусируются объективом в фокальной плоскости монохроматора, где находится выходная щель, пропускающая только небольшую часть спектра. Для изменения длины волны выходящего из монохроматора потока излучения можно либо перемещать выходную щель в фокальной плоскости, либо поворачивать призму, последовательно фокусируя на неподвижную щель различные участки спектра. Существует много схем монохроматоров, отличающихся от изображенной на рис.

Рис. Устройство призменного монохроматора:

1 – источник излучения, 2 – конденсорные линзы, 3 – входная щель, 4 – коллиматорная линза, 5 – диспергирующая призма, 6 – объектив, 7 – фокальная плоскость. Монохроматическое излучение пропускается через кювету.

 

Материал кюветы и призмы должен быть прозрачен во всем рабочем интервале длин волн монохроматора. В видимой области применяют призмы и кюветы из различных сортов (оптического) органического стекла, в ультрафиолетовой – кварц.

Приемником света в видимой и ультрафиолетовой областях является фотоэлемент, величина тока которого пропорциональна интенсивности падающего света. Ток усиливается и регистрируется потенциометром. Практически обычно определяют отношение интенсивностей монохроматического света, прошедшего через исследуемый раствор и через чистый растворитель или специально выбранный раствор сравнения.

Цвет растворов, поглощающих в видимой области, зависит от положения главной полосы поглощения в спектрах. Окраска в проходящем солнечном свете является результатом избирательного поглощения веществом отдельных участков спектра.

Выходящий световой поток имеет иной световой баланс, отличающийся от соотношения цветов в падающем световом потоке. Окраска придается раствору теми составляющими белого света, которые менее других поглотились веществом. Естественно, что красный раствор пропускает красные, а поглощает лучи другого цвета, в результате доля красных лучей в выходящем световом потоке увеличивается. Такие цвета называются дополнительными (табл.).

Таблица

Раствор марганцовокислого калия окрашен в красный цвет, он поглощает зеленые лучи, и его полоса поглощения лежит в области 440 – 650 нм. Бихромат калия, согласно установленному соотношению, поглощает фиолетовые лучи, т.е. область, близкую 400 нм. В простейших приборах для определения абсорбции вещества (колориметрах) имеется наборы светофильтров, выделяющих узкие интервалы видимого спектра. Для определения величины "А" растворов необходимо выбрать светофильтр, пропускающий те лучи, которые всего сильнее поглощаются анализируемым веществом. Чтобы правильно выбрать светофильтр, необходимо определить абсорбцию раствора на каждом светофильтре. Цвет светофильтра должен соответствовать области максимального поглощения раствора. Окраска раствора и цвет светофильтра относятся друг к другу, как дополнительные цвета. Таким образом, для анализа растворов KMnO₄ требуется зеленый светофильтр, а для K₂Cr₂O₇ – фиолетовый.

 

 

При проведении цветных реакций необходимо помнить следующее:

1. Исследовать цветную реакцию лучше всего в максимуме поглощения – этим достигается наибольшая чувствительность. Если положение макси мума неизвестно, его следует определить.

2. Контрольный раствор должен быть приготовлен очень тщательно, он должен содержать все компоненты кроме исследуемого вещества.

3. Если зависимость поглощения образца от концентрации исследуемого вещества линейна, для получения хорошей градуировочной кривой нужно не менее пяти точек. Для нелинейной кривой их нужно существенно больше. Построение градуировочной кривой позволяет исключить точки, поглощение для которых получено ошибочно.

4. Измерение концентрации необходимо проводить дважды, и на кривую наносить оба значения, а не их среднюю величину. Такой способ построения наглядно показывает точность определения концентрации по полученной градуировочной кривой. Кроме того, он позволяет сразу обнаружить неправильные измерения по их сильному отклонению от кривой.

5. Калибровочные кривые, полученные с реагентами разных партий, как правило, не совпадают. Поэтому при смене реагента градуировочную кривую надо получить заново.

6. Наилучшая кривая, проведенная по всем экспериментальным точкам, не обязательно должна проходить через ноль.

7. Не следует экстраполировать градуировочную кривую к значениям экстинкции, лежащим выше последних экспериментально полученных точек. Если нет крайней необходимости работать при поглощении, близком к 1,0, все измерения нужно проводить в интервале 0,0–0,6, тогда результаты будут наиболее точными. Это связано с тем, что шкала поглощений логарифмическая.

8. Если поглощение образца лежит за пределами градуировочной кривой, надо заново приготовить раствор такой концентрации, чтобы попасть на градуировочную кривую. Можно поступить проще – разбавить образец, приготовленный для первого определения, одновременно разбавить точно так же и контрольную смесь. Эти операции правомочны, однако, лишь в том случае, если поглощение образца подчиняется закону Ламберта-Бэра.

9. В колориметрических определениях важно совпадение данных, указывающее на точность количественного определения.