Спектрофотометр: принцип работы, применение

Спектрофотометр: принцип работы, применение

Спектрофотометр – принцип работы

Цвет является ощущением, что возникает в человеческом мозге из-за цветового стимула (лучистая энергия, которая проникает в человеческий орган зрения). Но бывают ситуации, когда цвет необходимо измерить.

Электронный оптический аппарат, которым измеряют цвет называется спектрофотометр. С его помощью измеряют величину излучения в нужной области видимого спектра.Данный прибор более точен по сравнению с колориметром. Образец для измерения может иметь вид жидкости, твердого тела, пасты, гранул, пленки либо порошка.

Он пропускает либо отражает падающий на него свет от источника освещения.

Измерение спектрофотометром происходит следующим образом: встроенная лампа (источник освещения) излучает измерительный свет, он отражается от образца, призмы (либо дифракционные решетки) разделяют его на части, каждая часть имеет свою полосу пропускания (обычно это 10 нанометров). Свет от каждой из этих частей попадает на фоточувствительный элемент. Матрица этих элементов выдаст все данные об энергетическом распределении по отраженному, поглощенному либо пропущенному образцом излучаемому спектру. Как итог получается коэффициент отражения либо пропускания, он выражается в процентах.

Характеристики спектрофотометров

Спектрофотометры обладают целым набором технических параметров, которые влияют на выбор модели прибора. Даже конструкцию спектрофотометра определяет область его применения.

Выбирая спектрофотометр, нужно узнать, какой источник излучения указан в документации.

Данный параметр обозначается заглавной буквой латинского алфавита:

  • свет от электрической лампочки со световой температурой, равной 2856 Кельвинам (A);
  • свет солнца, но не прямой, со световой температурой, равной 6774 Кельвинам (C);
  • естественное (дневное освещение) со световой температурой, равной 5000 Кельвинам (D);
  • естественное (дневное освещение) со световой температурой, равной 6500 Кельвинам (D65).

Диаметр площади для измерения цвета также имеет большое значение. Если предстоит проводить измерение цвета гранул, порошка, искусственных камней либо поверхностей с неоднородным окрашиванием, то нужен прибор с большой апертурой, чтобы была хорошая сходимость итогов измерения. Однако иногда возникает необходимость и в небольшом диаметре площади для измерения цвета.

Важными параметрами спектрофотометра являются повторяемость и воспроизводимость итогов измерения.

  • Воспроизводимость определяется близостью итогов измерения одного объекта одинаковыми методами и правилами одного документа с использованием разного оборудования и различными лаборантами в различные отрезки времени и в разных лабораториях.
  • Повторяемость определяется близостью итогов измерения одного объекта одинаковыми методами и правилами одного документа с применением одного оборудования в одной лаборатории одним лаборантом.

Приборы спектрофотометры подразделяются на несколько категорий:

  1. Если нужны точный анализ цвета, испытания и аттестация сырьевых материалов, то применяют стационарные приборы (для исследований, измерения степени пропускания прозрачных предметов и белизны предмета с ультрафиолетовыми компонентами). Они обладают хорошей прочностью конструкции, большой измерительной головкой и большим измерительным отверстием. В них расширены возможности измерения цвета (можно измерять и на отражение, и на пропускание).
  2. Спектрофотометры портативной конфигурации дают возможность измерить цвет в режиме реального времени и на любом этапе производственного процесса. Такие приборы легкие и очень удобные, их можно транспортировать. У них есть не только измерительная головка, но и мощная система микропроцессоров для анализирования информации, полученной во время измерения. Все результаты измерений выводятся жидкокристаллический экран прибора, а в памяти, которая встроена в прибор, можно сохранить большое число данных и допустимые критерии. Эти спектрофотометры функционируют и отдельно от компьютера. Их оснащают угловой, сферической либо многоугловой геометрией измерений.

Таблица. Операции и средства поверки спектрофотометров инфракрасных согласно ГОСТ 8.657-2009.

Наименование операции Номер пункта стандарта Наименование и тип основного или вспомогательного средства поверки; обозначение нормативного документа, устанавливающего технические требования и (или) метрологические и основные технические характеристики средства поверки
Внешний осмотр 7.1
Опробование 7.2 Пленка полистирола толщиной 0,025. 0,070 мм по ГОСТ 20282
Определение разрешающей способности 7.3 Газовая кювета, заполненная аммиаком под давлением 4·10 3 Па, с длиной поглощающего слоя 100 мм из набора поверочных средств для инфракрасных спектрофотометров НПС-ИКС; пары воды в атмосфере
Определение погрешности градуировки шкалы волновых чисел 7.4 Эталонные средства измерений 2-го разряда по рекомендации (стандартные образцы): пленка полистирола толщиной 0,025…0,070 мм или кюветы, заполненные инденом, с поглощающим слоем толщиной 0,1 и 0,025 мм, или кювета, наполненная аммиаком под давлением 4·10 3 Па, с длиной поглощающего слоя 100 мм, или диоксид углерода и пары воды в атмосфере (характеристики спектров приведены в приложениях А и Б). Лупа с десятикратным увеличением по ГОСТ 25706
Определение уровня мешающего излучения 7.5 Фотометрический секторный диск с коэффициентом пропускания 10% из эталонного средства измерений ПКС-731. Фильтры из набора поверочных средств для инфракрасных спектрофотометров НПС-ИКС по приложению В
Определение абсолютной основной погрешности спектрофотометра 7.6 Фотометрические секторные диски с коэффициентами пропускания 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% и 90% из эталонного средства измерений ПКС-731. Предел допускаемой погрешности измерений коэффициентов пропускания – не более 0,3%

Измерение спектрофотометром

При выборе спектрофотометра, помимо других технических параметров, необходимо обратить внимание и на геометрию измерения (первое значение – это освещение образца, второе значение – отраженный световой поток). Геометрия измерения определяет, как образец освещен и как наблюдается. Существует несколько геометрий освещения, чтобы измерять спектр отраженного сигнала, которые установлены на заседании комиссии по вопросам освещения, членами которой являются специалистами из разных стран.

Есть несколько измерительных геометрий:

  • 45/0 – образец освещен пучками света (единичным пучком), их оси с нормалью к образцовой поверхности создают угол в 45 градусов. Направление наблюдения и нормаль к образцовой поверхности создают угол в 10 градусов. А угол, образованный осью освещения пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам. Эти параметры соблюдаются и в пучке наблюдения.
  • 0/45 – образец освещен пучком света, его ось с нормалью к образцовой поверхности создают угол в 10 градусов. Образец наблюдают под углом в 45 градусов к его нормали. А угол, образованный осью пучка освещения и одним из его лучиков, равен 5 градусам. Эти параметры соблюдаются и в пучке наблюдения.
  • D/0 – образец освещен диффузно интегрирующей сферой (любой диаметр). Нормаль к образцовой поверхности и ось пучка наблюдения создают угол, равный 10 градусам. Угол, образованный осью наблюдаемого пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам.
  • 0/D – образец освещен пучком света, его ось с нормалью к образцовой поверхности создают угол 10 градусов. Световой поток отражается и собирается интегрирующей сферой. Угол, образованный осью освещаемого пучка и одним из его лучиков, равен 5 градусам.

Сейчас применяют модели спектрофотометров, имеющие измерительную геометрию, обозначаемую 45/0 и D/0.

Приборы, чья измерительная геометрия обозначена 45/0, являются дешевыми и портативными. Их применяют, контролируя цвет и измеряя шкалу теста (создание ICC профилей). Сначала они обладали одним световым источником, а потом появились спектрофотометры с симметричными световыми источниками (их два).

Специалисты заметили, что в цветах образцов, освещаемых с различных сторон, есть весьма заметные отличия.

Чтобы эти различия усреднить, начали применять спектрофотометры со световыми источниками в виде колец (геометрия измерения 45/0:c). Однако их нельзя использовать для металлизированных и глянцевых образцов (свет отражается зеркально, измерения обладают большой погрешностью).

Приборы, чья геометрия измерения D/0, лишены таких ограничений, а образец имеет диффузное освещение. В них зеркальную составляющую исключают, размещая приемник света под углом, равным 8 градусам, к нормали, и размещая ловушку блеска (она включает либо выключает зеркальный компонент) напротив.

Когда свет не падает на образцовую поверхность под углом 8 градусов из-за ловушки блеска, то он не отразится зеркально, а будет лишь диффузный свет отраженного потока. Получается измерительная геометрия, которую принято обозначать D/8. Зеркальную ловушку в закрытом виде (включение зеркального компонента) обозначают как D/8:i. Зеркальную ловушку в открытом виде (исключение зеркального компонента) обозначают как D/8:e.

Существуют предметы, окрашенные в особые цвета (вкрапления из металла либо жемчужные пигменты), чтобы они выделялись на общем фоне похожих предметов. И дать визуальную оценку таким предмета при помощи спектрофотометров с угловой либо со сферической геометрией становится затруднительно. Поэтому используют приборы с многоугловой геометрией (объект подсвечивается под углом 45 градусов, а измерение выполняется под незеркальным углом 15 градусов, 25 градусов, 45 градусов, 75 градусов и 110 градусов).

Работа спектрофотометра

Спектрофотометры различают по точности измерения и по техническим возможностям. Типы спектрофотометров определяются задачами цветового управления. К примеру, когда нужно измерить образцы с флуоресцентными колорантами либо с оптическим отбеливателем, тогда нужно применить прибор, геометрия измерения которого сферическая, источник освещения импульсный и есть устройство калибровки ультрафиолетовой составляющей в спектре излучения спектрофотометра.

Чтобы измерять образцы на пропускание (жидкость либо пленочка), нужно применять прибор, геометрия измерения которого сферическая и есть возможность измерять пропускание света (общее либо направленное).

Когда спектрофотометр нужен только для контролирования цвета (не нужен расчет рецепта цветов), то возможно применять прибор с угловой геометрией (45/0 либо 0/45). Но, когда важно контролировать цвет и рассчитывать цветовой рецепт, то обязательно нужен прибор, геометрия цвета которого сферическая (D/8).

Специалисты маркетинга применяют спектрофотометры, чтобы оценивать качество цвета товара и упаковки, а также для описания в количественном эквиваленте впечатлений людей, которые появляются благодаря органам зрения. Спектрофотометры используют, чтобы измерять численные различия в цвете эталона и образца товара, и чтобы создавать рецепты красок.

Используют спектрофотометры при изготовлении пищевых продуктов, чтобы определять цвет готового изделия, которую будут употреблять в пищу.

Данные приборы необходимы и на предприятиях, выпускающих пластмассы, ткани, лакокрасочные материалы, косметическую продукцию.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что: спектрофотометры могут различаться конфигурацией и измерительной геометрией. От области применения зависит выбор типа прибора.

Спектрофотометр

Электронный прибор, с помощью которого определяется состав веществ и их соединений в эмульсиях, взвесях и растворах называется медицинским спектрофотометром. Устройство имеет два наиболее известных названия: фотоэлектрический фотометр и фотоэлектроколориметр. Спектрофотометры используются в различных сферах, но больше всего они нашли свое применение в медицине и фармацевтике. Приборы отличаются высокой точностью и позволяют сэкономить реактивы и время на проведения исследования.

Особенности спектрофотометров

Самые первые фотометры нуждались в участии медицинского работника для проведения исследования. Специалист должен был сравнивать и фиксировать полученные с устройства показатели. Данные сопоставлялись с общепринятыми нормативами. На смену таким приборам пришли автоматизированные фотоэлектроколориметры.

Спектрофотометры – это современное медицинское оборудование, которое предназначается для изучения и анализа свойств предметов либо веществ с помощью электромагнитного излучения. Световые лучи проходят сквозь пробу или отражаются от нее. Прибор сравнивает поток света, который первоначально направляется на биоматериал с излучением, проходящим сквозь образец либо отражающим от его поверхности.

Для проведения анализа сканируется широченный диапазон волн: начиная от 160 нм (ультрафиолет), заканчивая 3300 нм (инфракрасные лучи), с помощью чего получается максимально точная информация о веществе.

Спектрофотометрическая методика основана на том, что каждый предмет обладает особенными спектральными характеристиками. Именно поэтому во время проведения анализа не играет роли температурный режим и агрегатное состояние образца. Особенностью спектрофотометра является возможность проведения качественных и количественных исследований.

Главным плюсом фотоэлектрического фотометра есть вывод полученной информации на дисплей (лаборант может увидеть состав пробы, наличие и численность примесей). С помощью специальных световых фильтров устройство определяет в образце не менее 3-5 составляющих компонентов.

Сферы применения

Спектрофотометры используются для исследований в биохимии (анализируются липиды, электролиты, субстраты, ферменты), иммунохимии (проводится анализ ламбда, ферритин, миоглобин, микроальбумин, гаптоглобин), бактериологии. Для анализа качества еды и воды (сточной, природной и питьевой) применяется фотоэлектроколориметр. При определении качественных характеристик воды определяется мутность и цвет жидкости, наличие тяжелых металлов и поверхностно-активных компонентов, содержание нитритов, фосфатов, фенолов и сульфатов.

Спектрофотометр пригодится для проведения научных, гормональных, экологических и специальных исследований. В отделениях санитарно-эпидемиологического надзора обязательным является наличие данного прибора. Кроме медицины оборудование используется в сельском хозяйстве и промышленной отрасли.

Фотоэлектрический фотометр нужен для:

  • выявления чистоты исследуемых образцов и нахождения примесей;
  • измерения в жидкостях оптической плотности и ее изменений;
  • определения концентрации пробы (исследование проводится в медицинских учреждениях);
  • изучения, анализа состава и химического строения веществ, образцов и реактивов;
  • спектральной диагностики.

Фотоэлектроколориметр – это устройство, которое применяется для проведения различных исследований: медицинских; биологических; фармацевтических; химических. Благодаря точным результатам, которые появляются на экране оборудования, доктор может узнать характеристику реагентов и назначить пациенту эффективное лечение.

Как устроен прибор?

Абсолютно все автоматизированные фотоэлектроколориметры состоят из: источника света (вольфрамовой, дейтериевой или галогено-дейтериевой лампы); усилителя сигналов; фотоприемника; монохроматора; оптических составляющих (световодов, зеркала, призмы и стекла); отсека для реагента.

Монохроматор содержит дифракционную решетку либо призму, которые выделяют излучение определенной длины волны. В различных моделях есть от одного до четырех отсеков для проб. С помощью фотоприемников спектрофотометр фиксирует уровень светового излучения, который проходит сквозь биологический материал.

Наиболее современные приборы укомплектованы фотодиодной матрицей, в состав которой входит встроенный датчик. Чип преобразует световой сигнал в электрический, это фиксируется микроконтроллером и высвечивается на мониторе оборудования. Не достаточно мощные приборы обрабатывают волны с различной длиной постепенно, и только потом выводят результаты на дисплей. От количества фотодиодных датчиков зависит производительность и информативность спектрофотометра.

С помощью приборов с фотодиодной матрицей можно проводить оперативные исследования не отходя от производства либо во время возникновения химической реакции. Это позволяет детально проанализировать состояние реакционных веществ.

Особенности работы устройства

Спектрофотометрическая методика основана на измерении степени отражения или поглощения монохроматических световых лучей. Во время исследования посторонние факторы не могут влиять на результативность анализа. Все приборы работают на двух разновидностях схем. В первом случае на пробу попадает монохроматический световой луч с определенной длиной волны, который после прохождения через образец направляется на фотоприемник, измеряющий разницу между потоками.

Суть второй схемы заключается в том, что на реагент попадает световой поток прямо от лампы, затем монохроматор выделяет небольшой пучок и направляет его к фотоприемнику.

Спектрофотометры бывают однолучевыми и двухлучевыми. В приборах с одним лучом для измерения применяются коэффициенты коррекции. В случае двухлучевой диагностики один луч попадает на пробу, а второй – на эталонное значение. Оборудование с двумя лучами более точное, информативное и менее чувствительное к окружающим факторам.

Правила выбора спектрофотометра

При подборе устройства необходимо учитывать сферу его применения и выполняемые задачи. Фотоэлектрические фотометры бывают переносными и стационарными. Портативные аппараты имеют небольшой вес, компактные и легкие в использовании. Стационарные приборы устанавливаются в медицинских учреждениях и диагностических центрах. С помощью этих устройств проводятся более сложные измерения. Такие спектрофотометры могут подключаться к персональному компьютеру с помощью кабеля, а полученные данные подлежат архивированию, обработке и распечатке на принтере.

При выборе медицинского аппарата нужно учитывать: спектр действия (диапазон); длину волны; многофункциональность устройства; габариты; цену; вероятность проведения определенных исследований; количество секций для реагентов; способ получения результатов. Также необходимо обратить внимание на штатную комплектацию модели спектрометра, потому как практически все современные приборы продаются с кюветом и чашкой Петри.

Техноком
научно-производственное объединение

Поиск на сайте

Спецпредложение.
Кюветы для спектрофотометров

Кюветы стеклянные стандарта КФК для спектрофотометров КФК-3.01, ПЭ-5300/5400, UNICO-1201/2100 и других

Спецпредложение.
Спектрофотометр B-1100

Спектрофотометр B-1100
Спектральный диапазон: 315-1050 нм
Цветной дисплей

Цена: 75000 руб.

Спецпредложение.
Набор кювет для КФК №2

Набор стеклянных кювет Ultra №2 включает кюветы 5, 10, 20, 30, 50 мм по 3 шт.

Цена: 10849.1 руб.

Выбранные разделы

*- цифры указывают
(количество позиций оборудования)

Ваш навигатор: Главная >>> Библиотека >>> Спектрометрическое оборудование >>> Типы, устройство, виды спектрофотометров, фотометров, фотоколориметров

“Типы, устройство, принцип работы спектрофотометров, фотометров, фотоколориметров”

Назначение и работы спектральных приборов

Назначением спектральных приборов является выделение излучения в узких спектральных интервалах в пределах заданной области спектра с разрешением обычно 102-107. В основу действия спектральных приборов могут быть положены самые разнообразные принципы, поэтому схемы действия конструкции приборов могут быть весьма различными.

Давно известны и наиболее распространены спектральные приборы с пространственным разделением длин волн. Обязательным в спектральных приборах этого класса является диспергирующий элемент, пространственно разделяющий по длинам волн падающее на него излучение.

Более подробную информацию о спектрофотометрах КФК-3-01 «ЗОМЗ», ПЭ-5300ВИ, Unico 1201, ПЭ-5400ВИ, ПЭ-5400В ПромЭколаб, Unico 2100 и других Вы можете найти в каталоге на нашем сайте

Типы абсорбционных спектрометров

1. Колориметры и фотоколориметры

Фотоколориметры – приборы, предназначенные для определения количества окрашенного вещества путем измерения величин поглощения и пропускания в видимой части электромагнитного спектра.

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 (VIS) 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 спектрофотометрических исследованиях.

3. Двуволновые спектрофотометры

В начале 50-х годов прошлого века Брайтон Чанс предложил новый метод измерения очень маленьких изменений поглощения сильно рассеивающих и мутных образцов. Основная идея очень проста. В то время как в двулучевой спектроскопии, где две кюветы, с образцом и сравнением, облучаются светом одной, но переменной длины волны , в двуволновой абсорбционной спектрофотометрии используется только одна кювета с образцом, которая облучается двумя различными длинами волн, и измеряется разница поглощений между 1 и 2.

Разрешение по длине волны здесь, в отличие от светосилы, имеет второстепенное значение. Поэтому в качестве “монохроматора” двуволнового спектрофотометра вполне подойдут узкополосные интерференционные фильтры. Они обладают большей светосилой, чем решеточные монохроматоры. Два луча света с длинами волн 1 и 2 посредством колеблющегося с частотой от 30 до 100 Гц зеркала попеременно облучают образец. Соответствующие сигналы I (1) и I (2) поступают на вход фазочувствительного усилителя, выходной сигнал которого после определенного преобразования подается для обработки на компьютер.

Кювета с образцом находится в специальном термостатированном держателе, гарантирующем постоянную температуру измерений.

4. Спектрофотометры с фотодиодной решеткой

Особым типом спектрофотометров являются приборы с фотодиодной решеткой или матрицей (PDA). Здесь свет от источника направляется непосредственно на образец и уже после этого – на дифракционную решетку, которая проецирует разложенный по поддиапазонам свет на фотодиодную решетку или матрицу. Последние содержат определенное количество фотодиодных датчиков, преобразующих световую энергию в электрические импульсы. Поэтому любой диапазон длин волн при подобной конструкции спектрофотометра дает свой “отклик” практически мгновенно, а не последовательно, как это имеет место в традиционной спектрофотометрии. Электрические импульсы с фотодиодов обычно обрабатываются микрокомпьютером с выводом результатов на дисплей. В зависимости от используемого для работы диапазона волн используются дейтериевая и/или вольфрамовая лампы.

Количество фотодиодов определяет разрешающую способность спектрофотометрического прибора. Применение фотодиодной решетки является важным элементом проведения кинетических исследований, что позволяет одновременно производить замеры исследуемого субстрата и образующегося в ходе реакции продукта при различных длинах волн. Использование данной схемы обеспечивает высокое быстродействие при работе спектрофотометра в режиме сканирования: менее одной секунды на диапазон сканирования.

Принцип работы спектральных приборов

Спектрофотометры позволяют разлагать белый свет в непрерывный спектр, выделять из этого спектра узкий интервал длин волн, в пределах которого световой пучок можно считать монохроматическим (ширина выделяемой полосы спектра 1 – 20 нм), пропускать изолированный пучок света через анализируемый раствор и измерять с высокой степенью точности интенсивность этого пучка. Поглощение света окрашенным веществом в растворе измеряют, сравнивая его с поглощением нулевого раствора. В фотометрическом спектрофотометре сочетаются два основных прибора: монохроматор, служащий для получения монохроматического светового потока, и фотоэлектрический фотометр, предназначенный для измерения интенсивности света.

Монохроматор состоит из трех основных частей: источника света, диспергирующего устройства (устройства, разлагающего белый свет в спектр) и приспособления регулирующего величину интервала длин волн светового пучка, падающего на раствор.

Для разложения света в спектр применяются стеклянные и кварцевые призмы, а также дифракционные решетки. Призмы обладают довольно большой дисперсией и большой светосилой. Кварцевые призмы дают возможность работать в ультрафиолетовой области спектра. Очень важной деталью спектрофотометра является щель, с помощью которой можно регулировать интенсивность светового потока: чем меньше ее раскрытие, тем меньше света проходит через нее и тем уже интервал длин волн светового пучка, пропускаемого щелью.

Фотоэлектрический фотометр состоит из вакуумных фотоэлементов, усилителя постоянного тока и компенсирующего устройства (потенциометра), шкала которого проградуирована в единицах оптической плотности и процентах светопропускания.

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

Световой пучок из осветителя попадает в монохроматор через входную 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. Электрический ток, проходящий через резистор RН, который включен в анодную цепь фотоэлемента, создает на резисторе падение напряжения, пропорциональное потоку излучения, падающему на фотокатод.

Усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления близким к единице, обеспечивает передачу сигналов на вход микропроцессорной системы (далее – МПС), МПС по команде оператора поочередно измеряет и запоминает напряжения UT и U, пропорциональные темновому потоку фотоэлемента, потоку, прошедшему через контрольный образец, и потоку, прошедшему через исследуемый образец. После измерения МПС рассчитывает коэффициент пропускания Т исследуемого образца. Значение измеренной величины высвечивается на цифровом фотометрическом табло.

Основные узлы спектрофотометра

1. Источник света

Спектрофотометр UV/VIS (ультрафиолет + видимый свет) имеет два источника света: источник 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.

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.

3. 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.

Более подробную информацию о конкретных моделях Вы можете найти в каталоге на нашем сайте.

Если Вы подобраете модель спектрофотометра, предлагаем Вам воспользоваться сравнительными таблицами с характеристиками приборов КФК-3-01 «ЗОМЗ», ПЭ-5300ВИ, Unico 1201, ПЭ-5400ВИ, ПЭ-5400В ПромЭколаб, Unico 2100, преставленными разделе “Сравнение спектрофотометров“.

Ознакомиться с документацией на спектрофотометры, скачать паспорта и сертификаты можно в разделе “Документация“.

Навигатор по разделу ” Типы, устройство, виды спектрофотометров, фотометров, фотоколориметров”

Оперативная доставка в города:

Абакан, Ачинск, Барнаул, Березники, Воткинск, Екатеринбург, Златоуст, Ижевск, Иркутск, Казань, Каменск-Уральский, Когалым, Красноярск, Курган, Магнитогорск, Миасс, Москва, Набережные Челны, Нефтеюганск, Нижневартовск, Нижний Новгород, Нижний Тагил, Новосибирск, Новый Уренгой, Ноябрьск, Нягань, Омск, Оренбург, Орск, Пермь, Салават, Самара, Санкт-Петербург, Сарапул, Соликамск, Стерлитамак, Сургут, Тобольск, Тольятти, Тюмень, Уфа, Ханты-Мансийск, Чайковский, Челябинск и в другие города России.

Доставка по России производится транспортными компаниями: Экспресс-Авто, Деловые Линии, Энергия, ПЭК, ЖелДорЭкспедиция, Байкал-Сервис и другими по желанию заказчика. С тарифами транспортных компаний Вы можете ознакомиться на соответствующих сайтах.

Внимание – оплата товара означает акцептование выбранного метода доставки и/или оферты Перевозчика по срокам бесплатного хранения товара на его складе, а также стоимости доставки.

Спектрофотометр. Виды и работа. Применение и особенности

Спектрофотометр – это электронный оптический прибор для измерения цвета твердых поверхностей и жидких веществ путем их спектрального анализа. Устройство является более точным и универсальным в применении чем колориметр, поскольку не просто сравнивает цвета для определения их схожести, а дает конкретные параметры спектра, то есть полное название. При подборе цветов оперировать такими данными гораздо удобней, чем просто сравнивая эталон и образец, постоянно корректируя оттенок последнего под необходимые параметры.

Как работает спектрофотометр

Прибор направляет на измеряемый предмет или вещество пучок света, который отражается с поверхности либо пропускается сквозь нее (у жидкостей и пленок).

Принцип его работы позволяет проводить анализ различных поверхностей и веществ:
  • Твердые плоские предметы.
  • Жидкости.
  • Гранулы.
  • Порошки.
  • Пленки.

Спектрофотометр оснащается встроенной лампой освещения, которая излучает свет с установленными параметрами яркости и температуры. Свет отражается от анализируемой поверхности и попадает на фоточувствительный элемент. Тот воспринимает длину отраженных лучей. Матрица прибора проводит анализ исходных данных, в результате которого электронная часть выдает информацию о характеристиках отраженных и поглощенных лучей. В результате эти данные переводятся в коэффициент отражения либо пропускания. Коэффициент у каждого цвета уникален, поэтому зная его можно точно определить оттенок.

Виды спектрофотометров по источнику света и площади измерения
Разные спектрофотометры работают от разных источниках света. Определить какой именно установлен на том или ином устройстве можно по буквенной маркировке:
  • А – электрическая лампочка со световой температурой 2856К.
  • С – не прямые солнечные лучи со световой температурой 6774К.
  • D – обычное дневное освещение со световой температурой 5000К.
  • D65 – дневное освещение со световой температурой 6500К.

Кроме источника света при анализе спектра цвета предмета или вещества важна и его площадь измерения. Этот показатель отвечает за величину области, которая поддается сканированию. Чем она больше, тем точнее результат, поскольку берутся данные с большего количества точек, и выводится средний показатель. Устройства с малой площадью измерения являются тоже точными, но только при анализе ровных однородных по цвету поверхностей. Если же нужно определить цвет порошка, гранул, природного камня и прочих сложных поверхностей, то нужна большая площадь измерения.

Стационарные и мобильные приборы
Спектрофотометры отличаются между собой по габаритам, точности и удобству использования. Они бывают:
  • Стационарные.
  • Мобильные.

Стационарный спектрофотометр является на порядок точнее. Он используется для лабораторного анализа спектра, также применяется на производствах. Такие устройства имеют крупную измерительную головку, но для них характерны большие габариты, поэтому их сложно транспортировать. Их питание осуществляется от электрической сети, поэтому такие спектрометры не могут использоваться как аппараты для полевых исследований. Данные устройства подразумевают необходимость использования для анализа малого образца. Они совершенно не подходят, к примеру, для определения цвета краски на детали кузова автомобиля, так как ее просто не получится приложить к устройству.

Мобильные или портативные приборы отличаются малым весом. Они питаются от аккумулятора или батареек. Благодаря этому их можно использовать в любом месте, вне зависимости от наличия там электросети. Результаты измерения устройства выводятся сразу в реальном времени на его ЖК-дисплей. Кроме этого данные приборы обладают собственной внутренней памятью, поэтому результаты замеров не нужно отдельно выписывать сразу же после исследования. Портативные устройства просто прикладываются сканирующей головкой к поверхности, цвет которой нужно определить. Это позволяет их применять для анализа крупных объектов.

Перед использованием прибора любого типа для достижения максимальной точности необходимо провести очистку сканируемой поверхности. Наличие пыли или грязных разводов существенно снизит точность конечного результата. Также нужно отметить, что поскольку мобильное устройство часто применяется на улице, то следует учитывать, что точность измерения во многом зависит от окружающей температуры. Если она больше +30°С, то измерения нужно отложить, пока поверхность образца не остынет.

Геометрия измерения спектрофотометром

Очень важным параметром прибора, влияющим на его точность, является геометрия измерения. Она состоит из двух значений. Первое указывает на то как осуществляется освещение образца, а второй как тот наблюдается.

Спектрофотометр может работать по следующим геометриям измерений:
  • 45/0 – подразумевает освещение образца одним или несколькими пучками света, оси которых направлены относительно нормали образца под углом 45°. При этом нормаль наблюдения относительно поверхности осуществляется под углом 10°.
  • 0/45 – предусматривает освещение образца под углом 10°, и проведение наблюдения под углом 45°.
  • D/0 – для освещения образца применяется диффузно интегрирующий источник, что позволяет добиться разностороннего падения лучей, при этом наблюдение выполняется под углом 10°.
  • 0/D – пучок света направляется на образец под углом 10°, при этом отраженные волны собираются интегрирующей сферой.

Точность измерения напрямую зависит от применяемой геометрии освещения. В связи с этим в современных спектрофотометрах используются только схемы 45/0 и D/0. Геометрия 45/0 наиболее бюджетная в производстве приборов и позволяет добиться быстрого анализа результатов. Поэтому ее применяют в портативных устройствах.

Однако приборы с геометрией 45/0 дают погрешность. Дело в том, что цвет образца воспринимается по-разному, в зависимости от того с какой стороны его анализировать. Особенно это характерно для красок с мелкими частицами, типа металлик. Это заметно даже визуально невооруженным глазом. В связи с этим для более точных измерений применяется спектрофотометр работающий по схеме D/0. Он направляет много пучков света, создавая на поверхности образца световое кольцо. Благодаря этому осуществляется множественный анализ.

Существует модификация приборов с интегрирующей сферой, работающей от светодиодного источника света. Она обозначается как D/0:с. Это очень точные устройства, но не применимые для исследования цвета на глянцевых и металлизированных поверхностях.

Обычные приборы D/0 исключают зеркальную составляющую, поскольку они имеют ловушку блеска. Она позволяет компенсировать блики и получить нормальный обзор поверхности для определения ее фактического цвета.

Когда какой прибор использовать

В зависимости от того какую геометрию измерения имеет спектрофотометр, зависит его фактическая себестоимость производства. Самыми дорогими являются устройства, работающие по схеме D/0. Однако их высокая точность не всегда нужна, поэтому существует масса задач, которые можно успешно решать аппаратами других типов. При этом получаемая в результате погрешность во многих ситуациях не является критичной.

Так если нужно проанализировать цвет образца с флуоресцентными свойствами или если он имеет эффект отбеливания, то оптимально применять спектрофотометр работающий по схеме D/0. Этот же прибор будет самым эффективным и для измерения светопропускной способности жидкости или тонкой пленки. Устройства этого типа способны рассчитать рецепт цвета, чтобы потом точно его воссоздать.

Если нужно просто проконтролировать цвет, чтобы убедиться что он соответствует эталону, то достаточно использования прибора работающего с геометрией 45/0. Это, как правило, портативные устройства, которые предусматривают возможность подключения к компьютеру. На последний устанавливается одно из многих доступных программных обеспечений. ПО используя данные от спектрофотометра сравнивает их с базой цветов. Это позволяет проверить идентичность цветов, или даже узнать точное название цвета, в том числе маркировку и бренд краски, которая полностью ему соответствует.

Где применяются спектрофотометры

Это сугубо профессиональный и достаточно дорогостоящий прибор, применение которого для любительских задач совершенно нерентабельно. Его используют на производствах для контроля сырья, чтобы готовая продукция разных партий полностью соответствовала друг другу. Именно благодаря использованию спектрофотометров колоранты, краски, мебель и многие другие товары всегда имеют одинаковый заявленный цвет, даже если относятся к партиям продукции произведенной в разные годы.

Портативный спектрофотометр в основном предназначен для контроля попадания в цвет при выполнении реставрационных работ. Если нужно сделать частичную перекраску поверхности, с целью экономии краски, то используя прибор можно узнать какой тон использовать, чтобы избежать видимого перехода между подкрасами и старым покрытием.

Это особенно актуально при покраске поврежденных деталей кузова автомобилей. Специально для этой задачи под многие спектрофотометры разработано программное обеспечение с каталогом красок разных производителей. Благодаря этому проведя сканирование очищенной поверхности кузова автомобиля со старой краской, можно ввести данные спектра в поиск программы. В результате она выдаст список красок с указанием названия бренда и тона, которые дадут такой же цвет. При этом они будут упорядочены по порядку попадания в цвет. Сначала указываются краски полностью соответствующие по тону, потом с погрешностью 1%, 1, 5% и т.д.

Устройство и принцип работы спектрофотометров

Имея общие представления о принципе измерения спектров поглощения, можно попытаться синтезировать наипростейший спектрофотометр. Схема такого прибора приведена на рис. 1.1.19.

Рис. 1.1.19. Схема устройства спектрофотометра

Такая схема спектрофотометра называется однолучевой. Здесь для измерения поглощения в один и тот же монохроматический луч света необходимо поочерёдно пропускать через кювету с образцом и кювету с растворителем (контроль).

Современные модели спектрофотометров построены по двулучевому принципу. В этом типе спектрофотометров монохроматический луч периодически направляется вращающимся зеркалом по двум каналам, в один из которых помещается кювета с образцом, в другой – кювета с растворителем. Лучи проходят образец и контроль в противофазе, и разница в интенсивностях регистрируется фото- метрирующей системой с последующей автоматической записью спектра на бланке в координатах:

К таким спектрофотометрам относится двулучевой регистрирующий прибор Specord М-40, оснащенный микроЭВМ, с высокой степенью автоматизации процессов измерения и возможностью математической обработки результатов (рис. 1.1.20).

Спектрофотометр Specord М-40 предназначен для измерения спектров поглощения в широком диапазоне длин волн

Я (200-900 нм) или V (50.000-11.000 см

х ). Волновое число v

есть величина, обратная длине волны Я, т.е. измеряется в см

Если Я выражается в нм, то: В приборе используются два источника света – дейтериевая лампа для ультрафиолетового диапазона 200-400 нм (50.000-25.000 см’ 1 ) и лампа накаливания для видимой и ближней инфракрасной области 400-900 нм (25.000-

11.000 см’ 1 ). Оптика прибора рассчитана на работу во всём указанном диапазоне и собрана с использованием отражательной (зеркальной) техники (плоские зеркала, конденсоры, реплики и т.д.).

В ультрафиолетовой области используется принцип двойной мо- нохроматизации излучения дейтериевой лампы. Дифракционный двойной монохроматор, состоящий из предварительного и главного монохроматора, обеспечивает высокое качество монохроматизации ультрафиолетового света и уменьшение мешающего рассеянного излучения. При развертке спектра в видимой области в ход лучей предварительного монохроматора вводится плоское зеркало-экран, которое перекрывает лучи водородной лампы и направляет на входную щель главного монохроматора свет от лампы накаливания. Таким образом, в видимой области работает только главный монохроматор.

Рабочий диапазон ультрафиолетовых решеток в предварительном и главном монохроматоре (1302 штр/мм) находится в пределах 54.000-28.000 см’ 1 , а решётки видимого диапазона (651 штр/мм) в пределах 31.000-11.000 см’ 1 . Переключение решеток от работающих в ультрафиолетовой области к предназначенным для видимой области происходит автоматически при волновом числе у =30.000 см’ 1 . Обе решетки относятся к решеткам первого порядка (см. выше), а для предотвращения попадания световых лучей спектров более высоких порядков при работе в видимом диапазоне автоматически вводятся светофильтры (при переключении светофильтров развертка спектра на время также автоматически прекращается).

В спектрофотометре Specord М-40 предусмотрено регулирование ширины щелей. Входная и выходная щели монохроматора жёстко связаны между собой и управляются шаговыми двигателями от ЭВМ. Возможны два режима управления щелями:

  • – с постоянной шириной щели при записи всего спектра,
  • – с переменной шириной щели, величина которой может изменяться в ходе записи спектра.

Величину спектральной ширины щели можно задавать, выбирая фиксированные значения из набора щелей от 10 см’ 1 до 200 см’ 1 . Развертка спектра по длинам волн в спектрофотометре Specord М-40 производится шаговыми двигателями, работа которых контролируется встроенной в прибор микроЭВМ. Таким образом, измерение спектра производится по точкам – точно фиксированным длинам волн. Выбор ширины щелей и шага (числа точек) производится в зависимости от особенностей объекта и цели исследования.

Монохроматический луч заданной спектральной ширины (интервала с известной ^Кпшструм.) модулируется и затем направляется

Рис. 1.1.20. Оптическая схема спектрофотометра SpecordM-40.

1. Источник ультрафиолетового излучения – дейтериевая лампа; 2. Источник видимого и инфракрасного излучения – лампа накаливания; 3. Коллиматор предварительного монохроматора (вогнутое зеркало); 4. Конденсор лампы накаливания (вогнутое зеркало); 5. Дифракционная решетка предварительного монохроматора; 6. Плоское поворотное зеркало; 7,10. Входная (7) и выходная (10) щели главного монохроматора; 8. Коллиматоры главного монохроматора (вогнутые зеркала); 9. Дифракционная решетка главного монохроматора Эберта (а – реплика для ультрафиолетовой области, б – реплика для видимой и инфракрасной области); 11. Модулятор; 12. Вогнутые тороидальные зеркала; 13. Разделяющее попеременно два луча поворотное зеркало на оси мотора; 14. Плоское поворотное зеркало; 15. Кювета с образцом; 16. Кювета с контролем; 17. Фотоумножитель (ФЭУ).

поочерёдно с помощью вращающегося плоского зеркала с прорезями (13, рис. 1.1.20) в канал с объектом или в канал с растворителем (контролем). Камера для объекта разделена на два отделения. Большой отсек предназначен для работы с прозрачными растворами, а малый – для рассеивающих свет объектов.

Прошедшие через образец и контроль лучи поочерёдно в противофазе попадают на фотоумножитель, генерируя (если есть поглощение света в образце) переменный фототок (рис. 1.1.21). Если интенсивность лучей одинакова (поглощение двух кювет одинаково), то переменный фототок на выходе ФЭУ равен 0.

Рис. 1.1.21. Генерирование переменного фототока

В противном случае возникает переменный ток, который усиливается. Сигнал обрабатывается, и результат измерения (пропускание

или оптическая плотность ) регистрируется на

бланке самописца спектрофотометра. Весь процесс измерения спектра и его воспроизведение осуществляется под контролем мик- роЭВМ, встроенной в прибор. Компьютеризация спектрофотометра дает возможность использования программ оптимального измерения и последующей математической обработки результатов, а также сохранения в памяти ЭВМ полученной информации в постоянной готовности для обработки.

Читать еще:  Палтус: польза и вред для здоровья
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector