Спектрофотометрия

Спектрофотометрия – определение количества вещества в окрашенном растворе или в твердой среде по измерению светопоглощения волн строго определенной длины. Светопоглощение измеряют с помощью фотоэлемента по изменению силы фототока, возникающего в нем, при падении на фотоэлемент светового потока, прошедшего через контрольный, а затем через исследуемые растворы или образцы.

Измерение светопоглощения производится в приборе – спектрофотометре, кварцевая призма которого выявляет монохроматические пучки спектра, соответствующие окраске раствора исследуемого вещества, в силу этого прибор отличается большой чувствительностью и точностью.

Оптическая схема прибора СФ-4А

Прибор снабжен тремя источниками света: лампой накаливания, водородной и ртутной лампами, что позволяет работать в широком диапазоне видимой и ультрафиолетовой части спектра.

Свет от источника (1) (рис. 66) падает на зеркальный конденсор (2), который собирает его и направляет на плоское зеркало (3). Зеркало отклоняет пучок лучей на 90° и направляет его через линзу (4) во входную щель (5), через которую свет проникает на зеркальный объектив (6), представляющий собой сферическое зеркало.

Рис. 66. Оптическая схема спектрофотометра СФ-4А. 1 – источник света; 2 – конденсор; 3 – плоское зеркало; 4 – линза; 5 – входная щель; 6 – зеркальный объектив; 7 – кварцевая призма-монохроматор; 8 – выходная щель; 9 – линза; 10 – светофильтр; 11 – кювета с раствором; 12 –  фотоэлемент

От зеркального объектива параллельный пучок лучей попадает на кварцевую призму (7), которая разлагает его в спектр (диспергирует). Диспергированный пучок лучей направляется обратно на объектив и фокусируется им на выходной щели (5), расположенной под входной щелью. Вращая кварцевую призму, можно получать на выходе свет различных длин волн. Длина волны зависит от угла поворота призмы.
Монохроматические лучи, пройдя щель (8), кварцевую линзу (9) и светофильтр, поглощающий рассеянный свет (10), попадают в кювету с контрольным или исследуемым раствором (И). Здесь часть света поглощается, а прошедшие через раствор лучи попадают на фотоэлемент (12).

Для обеспечения работы в широком диапазоне спектра в приборе предусмотрены 2 фотоэлемента, каждый из которых воспринимает длины волн в определенном интервале: 1-й– от 220 до 650 нм, 2-й – от 600 до 1100 нм.

Устройство прибора СФ-4А

Источники света (лампа накаливания и водородная лампа) установлены в общем осветителе (рис. 67, 1). Все основные элементы прибора (кварцевая призма, зеркальный объектив, щели) помещены внутри корпуса, на переднюю стенку которого выведены отдельные части.

Рис. 67. Спектрофотометр СФ-4А (схематическое изображение). 1 – осветитель; 2 – шкала длины волн; 3 – рукоятка установки длин волн; 4 – рукоятка раскрытия щели; 5 – шкала раскрытия щели; 6 – миллиамперметр; 7 – шкала отсчетного устройства; 8 – рукоятка, отсчетного устройства; 9 – кюветная камера; 10 – рукоятка перемещения кювет; 11 – камера фотоэлементов; 12 – рукоятка включения фотоэлементов; 13 – переключатель шторки; 14 – движок светофильтров; 15 – рукоятка плавного изменения чувствительности; 16 – рукоятка переключателя чувствительности ступенями; 17 – рукоятка переключения пределов измерения; 18 – рукоятка грубой регулировки темнового тока; 19 – рукоятка плавной регулировки темнового тока; 20  – рукоятка реостата водородной лампы; 21 – рукоятка включения лампы накаливания; 22  – тумблер; 23  – кнопка.

Шкала длин волн (2), соединенная с кварцевой призмой, движется с помощью рукоятки (5), производящей и поворот призмы.

Входная и выходная щели конструктивно составляют единое целое. Раскрытие щелей осуществляется одновременно в пределах от 0 до 2 мм при вращении рукоятки (4), величина раскрытия отсчитывается в мл по шкале.

На передней стенке корпуса находятся миллиамперметр (6), шкала (7) и рукоятка (5) отсчетного устройства. Отсчетный барабан имеет две шкалы: верхняя – шкала экстинкции (светопоглощение), нижняя – шкала светопропускания.

Кюветная камера (Р) для установки кювет с контрольным и исследуемым растворами снабжена кювето-держателем, позволяющим одновременно устанавливать 4 кюветы. Держатель с кюветами помещается в каретку, которая имеет 4 фиксируемых положения и перемещается с помощью рукоятки (10).

Фотоэлементы размещены в герметической камере (11). Включение фотоэлементов производится с помощью рукоятки (12). Если рукоятка не выдвинута, в схему включен 1-й фотоэлемент, при выдвинутой рукоятке – 2-й. Свет попадает на фотоэлементы через отверстия в камере. Окно закрывается шторкой, связанной с переключателем (13).

Между корпусом прибора и кюветной камерой помещается блок, в котором смонтировано плоское зеркало, направляющее пучок лучей на входную щель монохроматора, и движок со светофильтрами. Эти светофильтры находящиеся против выходной щели на пути луча, выходящего из монохроматора, поглощают рассеянный свет. Движок с помощью рукоятки (14) может быть установлен в 3 фиксируемых положениях, соответствующих различным светофильтрам. При работе с 1-м фотоэлементом пользуются фильтром, устанавливаемым при втором положении; при работе со 2-м фотоэлементом – фильтром, устанавливаемым при третьем положении, В первом положении, когда движок не выдвинут, на пути луча находится оправа, в которую можно вставить любой светофильтр.

Справа на основании прибора крепится панель, на которой расположены рукоятка плавного изменения чувствительности (15), рукоятка переключателя чувствительности ступенями (16) рукоятка переключения пределов измерения (17), рукоятка грубой регулировки темнового тока (18). Рукоятка плавной регулировки темнового тока (19) находится на камере фотоэлементов.

Темновой ток течет в приборе при неосвещенных фотоэлементах. Рукоятки чувствительности меняют напряжение на отсчетном устройстве.

Прибор включается в цепь через стабилизатор, поддерживающий постоянство тока, протекающего через источник света, и обеспечивающий постоянство напряжения. Стабилизатор представляет собой отдельный блок, покрытый кожухом. На передней панели стабилизатора расположены: рукоятка реостата водородной лампы (20), рукоятка включения лампы накаливания (21), тумблер, включающий в цепь водородную лампу или лампу накаливания (22), кнопка, включающая высокое напряжение (23).

В комплект прибора входят кюветы двух типов, прямоугольные сварные кварцевые с рабочей длиной 10 мм и разборные цилиндрические, позволяющие изменять слой исследуемой жидкости от 4 до 100 мм.

Техника работы с прибором СФ-4А

Подготовка прибора к работе

1. Включить стабилизатор в электросеть на 220 вольт.
2. Тумблером (22) (см. рис. 67) включить в сеть стабилизатора требуемую лампу (водородную или лампу (накаливания).
3. При работе с лампой накаливания поставить рукоятку (21) в положение «накал» и нажать кнопку (23), включающую высокое напряжение.
4. Через 10 мин, в течение которых прибор прогревается, перевести рукоятку накала (21) в положение «лампа накаливания».
5. Поставить рукоятку грубой настройки темнового тока (18) в одно из положений – 1, 2, 3 или 4.
6. Рукоятку переключателя чувствительности ступенями (16) перевести в одно из положений 1, 2, 3, 4. Ступени переключения чувствительности соответствуют работе со щелями различной ширины. До окончания измерения изменять положение рукоятки переключателя нельзя. Рукоятка плавного изменения чувствительности (15) должна быть в среднем положении.
7. Счетное устройство перевести на 0 по верхней шкале (7) с помощью рукоятки (5).
8. Вращая рукоятку (3) в сторону увеличения длин волн, установить требуемую длину волны.
9. Включить с помощью рукоятки (12) соответствующий длине волны фотоэлемент. Проверить, закрыта ли шторка.
10. Установить рукояткой (14) соответствующий фотоэлементу светофильтр.
11. В одну из кювет налить контрольный раствор, в другие – исследуемые растворы. Все кюветы должны быть одинаковой рабочей длины.
12. Поместить кюветы в кюветодержатель и вставить его в каретку так, чтобы при положении 1 на пути луча света находился контрольный раствор.

Установка ширины щели

1. Поставить переключатель пределов измерения (17) в положение «выкл.».
2. При неосвещенном фотоэлементе (шторка закрыта) рукоятками грубой (18) и плавной (19) регулировки темнового тока подвести стрелку миллиамперметра к 0. Это условный 0, т. е. темновой ток скомпенсиван так, что амперметр его не регистрирует.
3. Открыть шторку (13). Свет, пройдя через контрольный раствор, попадает на фотоэлемент и возникает фототок, который регистрируется амперметром, стрелка которого отклоняется от нулевого положения.
4. Вращая рукоятку, изменяя величину щели,  устанавливают стрелку амперметра снова на 0.
5. Шторку закрыть.

Определение оптической плотности исследуемого вещества

1. С помощью рукоятки (10) перевести кюветодержатель в положение 2, поместив на пути луча света кювету с исследуемым раствором.
2. Рукоятку переключения пределов измерения (17) ставят в положение XI.
3. Открыть шторку. Стрелка миллиамперметра вновь отклоняется от нуля.
4. Вращая рукоятку отсчетного устройства (8), возвращают стрелку амперметра к 0. Шторку закрыть.
5. Снимают показания прибора обычно по верхней шкале экстинкции и переводят их в количество исследуемого вещества по таблице, по градуировочной кривой или с помощью переводного коэффициента.