Колориметры и фотометры

Фотоколориметры.

Приборы, предназначенные для определения количества окрашенного вещества путем измерения величин поглощения и пропускания в видимой части электромагнитного спектра, называются фотоколориметрами.

Принцип действия. От источника видимого света световой поток проходит через светофильтр. Благодаря его избирательности, из всего излучаемого спектра вырезается область, близкая к длине волны, соответствующей максимальной величине поглощения исследуемого вещества.

В результате на исследуемый образец падает световой поток, приближающийся к монохроматическому. Это является необходимым условием для действия закона светопропускания Бера.

После прохождения через контейнер (кювету) с исследуемым образцом световой поток, часть энергии которого была поглощена раствором, поступает на детектор. При этом величина энергии светового потока, падающего на приемное устройство детектора, оценивается путем ее преобразования в электрический сигнал.

Назначение остальных блоков фотоколориметра — получение и представление окончательного результата в виде показания стрелочного прибора (в простейших моделях) или в цифровой форме на экране специального дисплея с документированием результата на печатающем устройстве (или без такового) в единицах оптической плотности (поглощения), пропускания или непосредственно в единицах концентрации исследуемого вещества.

Источником света для видимого участка спектра, в котором работают фотоколориметры, часто служит вольфрамовая лампа накаливания. Устройство, которое пропускает световые волны определенной длины волны и поглощает другие, называется фильтром. Для этих целей в фотоколориметрах используются стеклянные фильтры.

Стеклянный фильтр представляет собой один или несколько слоев цветного стекла, пропускающих только те волны света, которые не поглощаются данным конкретным цветом фильтра. В абсорбционном фильтре Раттена (Wratten) между двумя чистыми стеклами располагается слой окрашенного желатина, позволяя тем самым только волнам определенной длины пройти сквозь фильтр, а следовательно, и через кювету с образцом. Основным преимуществом стеклянных фильтров является их низкая стоимость и простота использования. Главный же их недостаток заключается в относительно широком интервале (диапазоне) длин волн светового потока на выходе светофильтра — до 60 нм, что отдаляет характеристики этого потока от монохроматического. Диапазон длин волн, пропускаемых фильтром, называют полосой пропускания. Чтобы получить излучение на входе образца с более узкой, чем у стеклянных фильтров полосой пропускания, применяют интерференционные фильтры. Обычно интерференционные светофильтры имеют ширину полосы пропускания в пределах 6—20 нм.

Приборы с интерференционными фильтрами обычно называют фотометрами.

Фотометры так же, как и колориметры, работают только на фиксированных длинах волн, при которых спектральные характеристики используемых фильтров имеют максимальные значения.

Сосуд (емкость), в котором размещается исследуемый образец и который пропускает через свои стенки световой поток, т.е. является оптически прозрачным, называется кюветой.

Кюветы могут быть круглыми, квадратными, цилиндрическими или прямоугольными. Кюветы квадратного сечения из-за параллельности боковых стенок обеспечивают большую точность. Кюветы с сечением круглой формы вызывают рассеивание падающего света. Для измерений поглощения в видимом свете, т.е. при работе с фотоколориметрами используются кюветы из стекла или из оптически прозрачного полистирола (одноразовые).

Часто кюветы, используемые в повседневной практике, рассчитаны на длину светового пути в 1 см. Для работы с образцами малых объемов применяются микроячейки для объемов проб 100 мкл и менее.

Для исключения дополнительных погрешностей в процессе фотометрических исследований следует соблюдать особую тщательность при обращении с кюветами, избегая появления на них отпечатков пальцев, причин, приводящих к образованию на их поверхности пятен, царапин или помутнений. Вытирать кюветы после тщательного и осторожного мытья следует только безворсовой тканью или специальной бумагой, предназначенной для протирки оптических поверхностей. Отдельные кюветы в ряде случаев конструктивно объединяются в систему кювет или ячеек, образуя специальные блоки кювет (контейнеры) для многоканальных фотометрических приборов. Они называются в зависимости от конструктивного исполнения «планшетами», “стрипами” и т. п.

Важной разновидностью конструктивного исполнения контейнеров для образца является проточная кювета. В кюветах проточного типа образец подается в измерительную проточную ячейку по тефлоновым трубкам, прикрепленным к входному и выходному отверстиям ячейки. Для подачи образца в измерительную ячейку обычно используется перистальтический насос. Проточные кюветы обеспечивают постоянную величину пути для светового потока и быстроту замера оптической плотности образца. Между замерами ячейка автоматически промывается самим исследуемым раствором, чтобы свести к минимуму перенос вещества от одного измерения к другому.

Для обеспечения кинетических исследований в фотометрических приборах предусматривается термостатирование кюветы с поддержанием заданной температуры раствора (реакционной смеси).

Во всех фотометрических приборах для преобразования светового потока в электрический сигнал используются специальные устройства: фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотоэлементы и фотодиоды, называемые детекторами.

Фотоэлектронный умножитель преобразует световую энергию в электрические импульсы, которые усиливаются и поступают на считывающее устройство. Принцип действия современных трубчатых фотоумножителей основан на использовании специальной трубки из фоточувствительного металла, который поглощает световую энергию, испуская электроны в количестве, пропорциональном падающей лучистой энергии.

Фотоэлемент (фототрубка) состоит из светочувствительного катода, изогнутого трубкой и покрытого цезием, и узкого цилиндрического анода. Испускаемые катодом электроны собираются на аноде, образуя во внешней цепи ток, поступающий на датчик для измерения.

Фотодиод (или светочувствительный диод — LDD) обычно изготавливается из кремниевого материала, а в более современных разработках применяются кремниевые микросхемы, которые и преобразуют энергию светового потока в измеряемый затем электрический сигнал.

Калибровка одноканального колориметра. Калибровочные коэффициенты, полученные в процессе калибровки прибора, хранятся в памяти ЭВМ. Прибор может иметь два режима работы:

1. режим калибровки (градуировки)',

2. режим анализа.

Режиму анализа должна предшествовать калибровка.

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