в Содержание

Перечень тем

Занятие 10

Реферат

Тема 6

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ

Студент должен уметь рассчитать нагрузку энергии в каждой области спектрэлектромагитного излучения; снять спектр вещества на спектрофотометре; определять спектрофотометрически фосфор и процентный состав смеси хлорофиллов а и b.

Природа электромагнитного излучения. Существуют представления о двой­ственной природе электромагнитного излучения. В одних проявлениях оно имеет волновую природу и ведет себя как физическое поле с непрерывными свойствами, в других  кор­пускулярную, т.е. представляет собой поток дискретных частиц (фотонов). Если на пути электромагнитного излучения встреча­ются материальные тела, то наблюдаются преломление, интерференция, дифракция, отражение, рассеяние, описываемые на основе волновой природы излучения, а также отклонение под действием притяжения или поглощение и испускание атомами и молекулами на основе кор­пускулярной природы излучения.

Волновые свойства. Электромагнитную волну можно предста­вить в виде двух переменных полей, перпендикулярных друг другу и к направлению движения волны (рис.10).

Рис. 10. Электромагнитная волна:

Н - магнитная составляющая; Е - электрическая составляющая.

Электромагнитную волну характеризуют несколькими параметрами:

1. Частота ν - число колебаний электрического поля в секунду, с–1  или см–1.

2. Длина волны λ - расстояние между двумя максимумами.

3. Волновое число -ν - число волн в 1 см.

4. Амплитуда α - максимальное значение вектора электрического поля.

5. Скорость ci - скорость распространения излучения в опреде­ленной среде. В вакууме она максимальна (c = 2,99792  1010 см  с–1 ≈ 300000 км • с–1  ), в любой другой среде ci = c/n, где n - коэффициент преломления.

6. Интенсивность I-энергия излучения в 1 с, приходящаяся на единицу телесного угла; она пропорциональна квадрату амп­литуды (на практике часто за интенсивность принимают значение аналитического сигнала в произвольных единицах, например число делений шкалы прибора).

7. Мощность Р - энергия излучения, попадающая на данную поверхность за 1 с. Часто термин «мощность» подменяют термином «интенсивность».

Длина волны, частота и скорость излучения связаны соотношением ν = сi / λ.

.Корпускулярные свойства. Излучение состоит из потока диск­ретных частиц (квантов света, или фотонов), движущихся со скоростью света.

Фотон - материальная частица с массой и импульсом, отклоняющаяся от прямолинейного пути под действием силы тяжести, но движущаяся со скоростью света. Каждый фотон обладает энергией, связанной с его массой и частотой или длиной волны соотношениями:

E = m  c2 = h  ν или E = h  c / λ ,

где h - постоянная Планка, равная 6,624  10–27 эрг  с = 6,6 10–34 Дж  с = 4,110–15 эВ  с.

Фотон можно охарактеризо­вать частотой или энергией. Двойственная (волновая и корпускулярная) природа свойст­венна всем материальным телам и физическим полям. Между массой, скоростью и длиной волны любого тела существуют такие же соотношения, как и для фотона:

E = m  v2 = h  ν = h  v / λ ,

где v - скорость движения тела.

Отсюда λ = h / m  v2.

В зависимости от массы и скорости тела доминирует волновое или корпускулярное свойство. При больших массах и малых скоростях (гораздо меньших скорости света) длины волн материальных тел столь малы, что их волновые свойства нельзя обнаружить с помощью измерительной техники. При скоростях, близких к скорости света, и при очень малых массах материальных тел (электрон, позитрон) проявляется их волновая природа. При взаимодействии потока фотонов, т.е. электромагнитного излучения, со всем веществом (преломление на границе двух сред, отражение от поверхности - дифракция) доминирует волновая природа, при взаимодействии с отдельными, атомами или молекулами - корпускулярная.

Спектр электромагнитного излучения. Совокупность частот (длин волн) электромагнитного излучения - электромагнитный спектр (табл.7).

Таблица 7

Спектр электромагнитного излучения

*1 нм = 10-7см или 10-9м. 

Интервал длин волн от 10-10 до 10-1 м разбивают на области: ультрафиолетовая (УФ) область охватывает диапазон 10-380 нм; инфракрасная (ИК) область - 750-105 нм; видимый свет, используемый в распространенных методах ана­лиза, занимает область 380-750 нм.

Поток фотонов с одинаковой частотой называют монохроматическим, с разными частотами - полихроматическим. Обычный поток излучения от раскаленных тел, в ча­стности, солнечный свет, является полихроматическим.

Строение атома и происхождение атомных спектров. Атом - дискретная частица вещества размером -10-8 см, состоящая из ядра, заряженного положительно, и отрицательно заряженных электронов.

Законы поглощения света. В основе всей оптической спектро­скопии лежат общие законы, дающие соотношение между величиной по­глощения и количеством поглощаемого вещества.

Закон Ламберта выражает зависимость между поглощающей спо­собностью и толщиной слоя вещества: поток параллельных лучей моно­хроматического света при прохождении через гомогенную поглощающую среду ослабляется по экспоненциальному закону:

I = Io  e -kd,

где I - интенсивность прошедшего излучения;

Io - интенсивность падающего излучения;

d - толщина поглощающего слоя;

k - коэффициент поглощения, который зависит от длины волны и является индивиду­альной характеристикой вещества.

Обычно пользуются логарифмической формой записи:

где k1 = 0,434k (0,434 - коэффициент пересчета при переходе от натуральных логарифмов к десятичным), а поглощающая способность вещества (или оптическая плотность D) пропорциональна толщине поглощаю­щего слоя d. Закону Ламберта подчиняются все вещества.

Закон Бера выражает связь между поглощающей способностью и концентрацией поглощающего вещества в растворе:

где ε и ε1 - коэффициенты поглощения, характеризующие вещество, они зависят от длины волны и не зависят от концентрации. При этом коэффициент поглощения k зависит от концентрации раствора:

k = εс,     kl = ε1 с,

где kl - коэффициент поглощения, учитывающий переход от натуральных логарифмов к десятичным

с - концентрация вещества в растворе.

В отличие от закона Ламберта закон Бера не имеет столь универсаль­ного значения. Отклонения от закона Бера встречаются часто и связаны с поведением вещества в растворе. Они объясняются межмолекулярным взаимодействием в растворе, сила которого изменяется с концентрацией.

Типы изменений в молекуле зависят от энергии излучения, или, что то же самое, от его длины волны, так как энергия из­лучения и длина волны связаны известным соотношением

E = m  v2 = h  ν = h  v / λ ,

где Е - энергия;

h - постоянная Планка;

с - скорость света;

ν - частота колебания, с–1;

λ - длина волны, см.

В ИК-спектроскопии вместо длины вол­ны применяют обратную ей величину-ν  = 1/ λ, имеющую раз­мерность (см–1) и называемую волновым числом. Тогда приве­денное соотношение будет иметь вид

Е = h  c-ν.

Основным принципом любого типа взаимодействия излуче­ния и вещества является принцип квантованного поглощения энергии. Какого бы типа изменение ни происходило - пере­ход ли конкретного электрона на определенную возбужденную орбиту (УФ-область) или возбуждение колебаний конкретного атома в конкретной молекуле (ИК-область) - энергия, необхо­димая для этого, строго определенна и всегда постоянна.

Из рис.11 видно, что в области электронных переходов (Е1 → Е2) электрон, возбуждаясь падающим излучением, пе­реходит с орбиты Е1 на возбужденную орбиту Е2.

Рис. 11. Электронные, колебательные и вращательные переходы при взаимодействии вещества и энергии

При таком переходе энергия кванта hν должна быть порядка нескольких электрон-вольт. При меньшей энергии переход электрона на возбужденную орбиту Е2 не реализуется и осуществляются лишь переходы электронов на колебательные уровни Е'2 (при собст­венной энергии порядка 10–1 эВ) или на вращательные уровни (при энергии порядка 10–2эВ).

Методом ИК-спектроскопии органические соединения изучают в области от 500 до 5000 см–1 при энергии падающего излучения в несколько десятых электрон-вольта (эВ). Применяемые для ис­следования органических соединений УФ-спектрометры обычно исследуют область от 200 до 400 нм, а участок спектра от 400 до 1000 нм является предметом изучения спектроскопии в видимой области при энергии падающего излучения порядка нескольких электрон-вольт.

Как правило, в УФ-спектроскопии применяется в качестве единицы длины волны нанометр (нм):

1 нм = 10-7см или 10-9м.

Интенсивность в спектрах поглощения. Индивидуальной характеристикой органических веществ являются его спектры. По данным ИК- и УФ-спектроскопии можно определить класс химических соединений.

Спектраль­ные данные записываются как зависимость коэффициента по­глощения от длины волны, т.е. выражаются с помощью двух переменных величин - интенсивности и длины волны. Интенсивность чаще всего выражается:

1) поглощением (%) для ИК - спектров:

2) оптической плотностью для УФ- и видимых спектров:

Если концентрация вещества равна 1 моль/л, а толщина слоя d=1 см, интенсивность называется молярным коэффици­ентом поглощения, или экстинкцией ε:

В случае использования 1М раствора интенсивность может быть отложена по оси ординат как ε  или как lg ε.

Логарифмической формой часто пользуются при изображении УФ-спектров, где интенсивность поглощения для одного вещества может изменяться на не­сколько порядков. Внешний вид спектра (рис.12) меняется в зависимости от способа выражения интенсивности.

Рис. 12. УФ-спектр пиридина (в С2Н5ОН) при разных способах:

 1 - в шкале D; 2 - в шкале ε ; 3 - в шкале lg ε

В ИК-спектроскопии полоса поглощения характеризуется лишь положением в спектре (см–1), а интенсивность полосы поглощения указывается, как правило, лишь приближенно (интенсивная, средней интенсивности, слабой интенсивности).

В УФ-спектроскопии полоса поглощения характеризуется двумя точными параметрами: положением линии поглощения (нм) и ее интенсивностью (в единицах ε, lg ε  или D) (см. рис.12).

Происхождение ИК-спектров. Как пояснялось выше, если молекула поглощает фотон с энергией меньше 80 кДж/моль, то этой энергии хватает лишь на изменение колебаний атомов, но не на электронный переход. Молекула переходит из одного колебательного состояния в другое, соот­ветствующая спектральная линия лежит в ИК - области.

Интенсивность поглощения ИК - излучения можно выразить величиной пропускания Т в процентах (рис.13).

Рис. 13.  ИК-спектр полистирола: а - в шкале длин волн; б - в  шкале частот

Различают несколько типов колебаний атомов в многоатомной молекуле: валентные (симметричные и антисимметричные) и де­формационные разных видов (рис.14). При валентных колебаниях изменяется длина связей (расстояние) между атомами, при деформационных колебаниях - угол между связями без изменения их длины.

Условие колебательного перехода - изменение дипольного момента молекулы при колебаниях атомов. Сим­метричная молекула, не обладающая дипольным моментом, не может поглотить ИК-излучение.

Рис. 14. Колебания атомов в трехатомной молекуле SO2:

а - валентно-симметричные; б - валентно-антисимметричные; в - деформационные

Примеры таких молекул - двухатомные молекулы с ковалентной связью (Н2, N2, галогены, молекула СО2 с валентно-симметричными колебаниями атомов и т.д.).

У некоторых молекул дипольный момент появляется при изменении типа колебаний атомов. Например, колебания атомов в молекуле СО2 могут быть валентно-симметричными (I), валентно-антисимметричными (II) и деформационными (III).

При колебаниях типа I дипольный момент не меняется (нет линий в ИК-области). Колебания типа II и III нарушают симметричность молекулы, появляется дипольный момент и возникают линии в ИК-области.

Колебательные переходы обязательно сопровождаются вра­щательными (рис.15), поэтому колебательная спектральная линия превращается в полосу, состоящую из множества линий, а ИК-спектр представляет собой набор полос поглощения (аналогично тому, как электронный переход обязательно сопровождается колебательными и вращательными переходами, и электронный спектр состоит из полос по­глощения).

Рис. 15. Схема энергетических уровней в молекуле, иллюстрирующая поглощение излучения

Ширина колеба­тельных полос меньше эле­ктронных, поскольку раз­ность энергий вращательных подуровней меньше, чем ко­лебательных.

Из всех колебательных пе­реходов наиболее вероятным является переход на ближай­ший колебательный подуро­вень. Ему соответствует спек­тральная линия, называемая основной. Менее вероятным переходам на более высокие колебательные подуровни от­вечают спектральные линии, называемые обертонами. Их частота в 2, 3 и т.д. раз больше, чем частота основ­ной линии, а интенсивность гораздо меньше. Основную линию обозначают буквой ν, а обертоны 2 ν, 3 ν и т. д.

Области ИК-спектра. Каждый тип колебаний характеризуется определенной энергией возбуждения. Валентные колебания отвечают более высоким энергиям, чем деформационные, и, следовательно, полосы валент­ных колебаний лежат в более коротковолновой области.

Выделяют четыре области спектра (рис.16):

2,7-4,0 мкм - валентные колебания с участием атомов водорода (О-Н, С-Н, N-Н, S-Н);

4,0-5,0 мкм - тройные валентные связи (СС, CN);

5,0-6,4 мкм - двойные валентные связи (С=С, С=О, C=N);

6,0-15 мкм - одинарные валентные связи (С-Н,N-Н), группы - СН3, - СН2-, -NH2, группы с  тяжелыми атомами и РО4, SO4, CO3, NO3.

Рис. 16. Частоты  колебаний связей между атомами

Положение полос в спектрах веществ помогает установить наличие той или иной функциональной группы в соединении. Однако присутствие в молекуле других атомов может вызвать определенное смещение полосы.

В табл. 8 приведены длины волн и частоты полос поглощения для некоторых наиболее известных связей и групп.

Таблица 8

Положение полос поглощения в ИК-области

Таким образом, каждое соединение будет иметь свой характерный ИК-спектр («отпечаток пальцев»). На положение полос могут повлиять условия эксперимента (например, агрегат­ное состояние, растворитель) и регистрации спектра. Неизвестное соединение идентифицируют, срав­нивая его спектр со спектрами известных соединений, снятых в тех же условиях. ИК-спектры соединений зарегист­рированы и собраны в специальных атласах, которыми пользу­ются при идентификации соединений и анализе смесей веществ.

Регистрация ИК-спектров. Для работы в ИК-области используют ИК-спектрофотометры. В их конструкции лежит двухлучевая схема (рис.17).

В отличие от спектрофотометров для УФ- и видимой областей пробу помещают перед монохроматором, что уменьшает рассеянное излучение.

В ИК-области нельзя использовать стеклянные и кварцевые детали и нельзя работать с водными растворами, поскольку вода, стекло и кварц поглощают ИК-излучение. В связи с этим подбирают другие растворители или снимают спектр твердого вещества, растерев его с вазелином или другим твердым материалом.

Материалы для изготовления кювет и призм при работе в ИК-области перечислены в табл.9.

Таблица 9

Твердые  материалы, прозрачные в ИК-области

Источники излучения. В ближней ИК-области до 3 мкм можно использовать лампу накаливания. В области 1-15 мкм применяют штифт Нернста, представ­ляющий собой стержень длиной 2 см и диаметром 1 мм, изготовленный из смеси оксидов редкоземельных элементов (церий, цирконий, торий, иттрий). Для получения ИК-излучения стержень нагревают до 1500°С. В области до 30 мкм используют глобар. Это стержень, выполненный из карбида кремния, нагреваемый до 1300°С. Во избежание перегрева в конструкции глобара предусмотрена система охлаждения.

Монохроматоры. Для монохроматизации потока исполь­зуют призмы из монокристаллов веществ, прозрачных в ис­следуемой области, а также дифракционные решетки (300 штрихов на 1 мм для области 2-5 мкм и 100 штрихов на 1 мм для области 5-16 мкм) и интерферометры Майкельсона (в спектрофотометрах с фурье-преобразованием).

Кюветы. Для работы с органическими жидкостями или органическими растворами в качестве кюветы используют две пластинки из хлорида натрия, закрепленные в металлическом кожухе (рис.18). Пробу вводят в пространство между пластин­ками шприцем. Для работы с водными растворами используют пластины из хлорида серебра. Если пробой является жидкое органическое соединение, ее обычно не разбавляют.

Твердые соединения растворяют в органическом растворителе, не поглощающем в исследуемой области спектра. Таким растворителем чаще всего служит смесь СС14, СНС13 и CS2 (рис.19).

Рис. 19. ИК-спектры растворителей: 1 - СС14;  2 - CS2; 3 - СНС13

Если твердая проба нерастворима в обычных растворителях, ее суспендируют в вазелине и других маслах или смешивают с порошком бромида калия и прессуют в виде таблетки. Суспензию вводят в промежуток между пластинами из хлорида натрия, а таблетку помещают прямо в кюветное отделение.

Детекторы. Детектирование сигнала в ИК-области основано на выделении теплоты при возвращении молекул из возбужден­ного колебательного состояния в основное. Для этого тепловую энергию преобразуют в электрический сигнал, чаще с помощью термопары, болометра и термистора.

Применение ИК-спектроскопии. ИК-спектрометрия остается непревзойденным методом иден­тификации и исследования строения органических и некоторых неорганических соединений. При идентификации снимают спектр исследуемого вещества, выписывают частоты полос поглощения и оценивают их интен­сивность в максимумах поглощения (минимумы полос на спектре в координатах Т-ν). Полученные данные сравнивают с таблич­ными, пользуясь атласами спектров и учитывая возможные сдвиги полос.

По ИК-спектрам судят о составе сложных смесей органических веществ. Так, метод широко применяют при исследовании разнообразных органических компонентов почв, из которых большую часть составляют гумусовые кислоты - азотсодержащие оксикарбоновые кислоты. В зависимости от типа почвы состав гумуса и вид ИК-спектра меняются.

ИК-излучение подчиняется законам светопоглощения, что можно использовать для количественного определения веществ, обычно применяют метод градуировочного графика. Для этого готовят серию проб (растворы, суспензии или таблетки) с извест­ным содержанием определяемого компонента, снимают их спек­тры поглощения, измеряют Т в максимумах поглощения (ми­нимумы полос) и строят градуировочный график в координатах А - с. При получении значения Т, особенно для смеси веществ, часто пользуются методом базисной линии, поскольку фон в ИК-области может быть достаточно высоким.

Значение ИК-спектроскопии в количественном анализе огра­ничено, так как концентрации веществ, которые могут быть определены, должны быть значительными и точность результатов невысокая.

Аппаратура. Спектрофотометрические методы анализа основаны на применении монохроматического излучения в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Использование монохроматического (с интервалом длин волн в I-5 нм) пучка света позволяет примерно на два порядка повысить чувствительность и селективность метода по сравнению с фотоколориметрическими. Спектрофотометры объединяют в себе два основных при­бора: монохроматор и фотометр. Монохроматор позволяет с по­мощью диспергирующей призмы или дифракционной решетки разлагать широкополосный свет в спектр и выделять из него узкий световой (монохроматический) пучок. Фотометр служит для регистрации изменения интенсивности светового потока, про­шедшего через исследуемый раствор и раствор сравнения.

Спектрофотометры делят на три группы: со стеклянной оптикой, кварцевой и с оптикой из солей галогенидов, используемые для работы в инфракрасной области. Независимо от применяемой оптики спектрофотометры могут быть с автоматической разверткой всего спектра - регистрирую­щие спектрофотометры и ручным приводом устанавливаемой длины волны - не регистрирующие спектрофотометры.

Для работы в инфракрасной области спектра призма, материалы кю­вет, а также вся оптическая система ИК-спектрофотометра изготовляют­ся из кристаллов NaCl, КВr или LiF. Эти материалы прозрачны для инф­ракрасного излучения. Для работы в ультрафиолетовой области спектра призма, кюветы для вещества и вся оптика изготовляются из специального кварцевого стекла.

Для работы в видимой области призма и оптика выполняются из обычного стекла или из кварца. Схема спектрофотометра изображена на рис. 20.

Рис. 20. Принципиальная схема спектрофотометра:

1 - источник излучения; 2 - кювета с веществом; 3 - монохроматор; 4 - регистрирующее устройство;

5 - самописец

Излучение, генерируемое источником (1), проходит через кювету с ве­ществом (2) и попадает в монохроматор (3). Монохроматор состоит из систе­мы зеркал и призмы или дифракционной решетки, которая подает на вы­ходную щель монохроматора излучение с определенной длиной волны. Этот пучок попадает затем в регистрирующее устройство (4), в котором преобразовывается в электрический сигнал и записывается на самописце (5) на калиброванную бумагу.

Широкое применение получили однолучевые спектрофотометры с кварцевой оптикой - СФ-4А, СФ-16, СФ-26 и со стеклянной оптикой - СФ-5, «Спекол».

Измерение на неавтоматических спектрофотометрах. Спектрофотометры неавтоматические СФ-16 и СФ-26 имеют сход­ную оптическую схему. Попадая на катод фотоэлемента, монохромати­ческое излучение вызывает фототок, который усиливают и измеряют на выходе усилителя компенсационным методом. Зная зависимость между компенсирующим напряжением и фототоком, градуируют шка­лу отсчетного барабана в единицах абсорбционности и пропускания.

Поскольку в неавтоматических спектрофотометрах определяют относительное изменение интенсивности излучения, прибор измеряет не абсолютную величину фототока, а лишь его уменьшение при пере­ходе от растворителя к анализируемому раствору. Поэтому, когда вместо кюветы с растворителем помещают кювету с анализируемым раствором, стрелка миллиамперметра отклоняется вправо. Ее возвра­щают к нулю с помощью отсчетного потенциометра, поворачивая рукоятку, и по шкале определяют абсорбционность.

Работая на спектрофотометрах, тщательно соблюдают все правила техники безопасности, предусмотренные инструкцией. Аккуратно обращаются с кварцевыми кюветами. Соблюдают режим включения водородной лампы и стабилизатора. Фотоэлементы переключают как ­можно осторожнее (поворачивая рукоятку переключателя плавно и до упора).

Спектрофотометры СФ-16 и СФ-26 предназначены для измере­ния оптической плотности или коэффициента пропускания жидких, твердых и газообразных веществ. Определение плотности осуществляют в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Эти приборы имеют одинаковую оптическую схему, но несколько отличаются электрическими схе­мами, расположением отдельных узлов и органов управления.

Рис. 21. Спектрофотометр СФ-16:

I - осветитель; II - монохроматор; III - кюветная камера; IV - камеры фотоприемников и усилителя; V - блок стабилизированного электропитания; 1 - рукоятка установки длин волн; 2 - микровинт установки ширины выходной щели; 3 - переключатель фотоэлементов; 4 - рукоятка шторки фотоэлементов; 5 - рукоятка смены положения каретки кювет; 6, 7 - ру­коятки чувствительности прибора «тонко» и «грубо» соответственно; 8 - микроамперметр; 9 - шкала длин волн; 10 - рукоятка переключения диапазона измерений; 11, 12 - пере­менные резисторы компенсации темнового тока усилителя - «грубо» и «тонко» соответст­венно; 13 - рукоятка реохорда отсчетного потенциометра; 14 - шкала оптической плотности; 15 - переключатель режима работы стабилизатора; 16 - тумблер включения блока стаби­лизированного источника питания; 17 - реостат; 18 - кнопка включения высокого стабили­зированного напряжения

Спектрофотометры состоят из следующих основных узлов (рис. 21, 22): осветителя I, монохроматора II, кюветной камеры III, ка­меры фотоприемников и усилителя IV, блока стабилизированного питания V.

Рис. 22. Спектрофотометр СФ-26.

Условные обозначения те же, что и для СФ-16 (см. рис. 21)

В осветителе расположены два источника излучения: лампа накаливания ОП-33-0,3 для работы в диапазоне длин волн 340-1100 нм и газоразрядная дейтериевая лампа ДДС-30 для работы в ультрафиолетовой области спектра - 186-350 нм. Переключение ламп осуществляется рукояткой, расположенной на корпусе осве­тителя.

Основной частью монохроматора в спектрофотометрах СФ-16 и СФ-26 является диспергирующая призма, разлагающая сплош­ное излучение в непрерывный спектр. В результате этого через выходную щель, которая также осуществляет дополнительную монохроматизацию, проходит световой поток определенной монохроматичности в зависимости от разрешающей способности призмы и ширины щели в данном спектральном диапазоне.

Оптическая схема спектрофотометров СФ-16 и СФ-26 приведе­на на рис. 23.

Рис. 23. Оптическая схема спектрофотометров СФ-16 и СФ-26:

вверху - вид сбоку, внизу - вид сверху:

1, 1' - источники света; 2 - поворотное зер­кало-конденсор; 3 - плоское поворотное зеркало; 4, 9 - фокусирующие линзы; 5 - входная щель светового потока; 6 - зеркальный объектив; 7 - диспергирующая кварцевая призма; 8 - выходная щель монохроматического света; 10 - светофильтр; 11 - кювета; 12 - защитная пластина; 13 - сменный фотоприемник

Свет от источника (1 или 1') с помощью поворот­ного зеркала-конденсора (2) собирается в пучок и направляется на плоское поворотное зеркало (3). Отраженный под углом 90° луч фокусируется кварцевой линзой (4) на входную щель (5). Прошедшее через входную щель излучение попадает на зеркальный объектив (6) и, отразившись, направляется параллельным пучком на кварцевую призму (7), задняя грань которой покрыта зеркальным алюминием. Призма диспергирует (разлагает) свет в спектр и диспергированный пучок света направляет обратно на объектив (6). Лучи, про­шедшие призму под углом, близким к углу наименьшего отклоне­ния, т.е. под углом, близким к углу их падения на основание призмы, фокусируются объективом (6) на выходную щель (8), распо­ложенную над входной щелью. Лучи, отклонившиеся призмой под несколько большим углом, не могут быть сфокусированы в выход­ную щель зеркальным объективом и рассеиваются. Призма уста­новлена на подвижном столике. Поворачивая диспергирующую призму (7) вокруг своей оси с помощью рукоятки (1) (см. рис. 22), напра­вляют в выходную щель монохроматора лучи различных длин волн. Вышедший из щели монохроматический пучок света проходит через линзу (9), фильтр (10), поглощающий рассеянный свет, кювету с раствором сравнения или исследуемым раствором и защитную пластину (12) и попадает на светочувствительный слой фотоэле­мента (13).

Призма, линза и защитные пластинки изготовлены из кварце­вого стекла с высоким коэффициентом пропускания в ультрафио­летовой области спектра. Для обеспечения работы спектрофото­метра в широком диапазоне длин волн на нем установлены два фотоэлемента. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварце­вого стекла используют при измерениях в диапазоне 186-650 нм и кислородно-цезиевый фотоэлемент - для измерений в диапазоне 600-1100 нм. В зависимости от длины используемой волны в рабо­чее положение фотоэлементы устанавливают рукояткой (3). В поло­жении Ф включается сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, в положе­нии К кислородно-цезиевый. Входная и выходная щели монохроматора составляют конст­руктивно одно целое. Рабочая высота каждой щели 13 мм, ширина ее регулируется микрометрическим винтом (2) в пределах 0-2 мм.

Кюветная камера III состоит из подвижной каретки для поме­щения исследуемых растворов и раствора сравнения. Каретка имеет четыре фиксированных положения, обозначенных цифрами на рукоятке (5), с помощью которой можно поочередно устанавли­вать кюветы с раствором напротив входной щели монохроматора. Спектрофотометры снабжены полным набором кварцевых и стек­лянных кювет.

Принцип действия спектрофотометров СФ-16 и СФ-26 основан на сравнении величины светопропускания (Т) или оптиче­ской плотности (D) исследуемых и эталонных растворов. Для это­го на монохроматоре устанавливают необходимую длину волны и в пучок света помещают вначале кювету с растворителем, светопропускание которого принимается за 100%, а затем кювету с ис­следуемым раствором.

Отношение величины фототока при попадании на фотоэлемент светового потока, прошедшего через исследуемый раствор (I), к величине тока фотоэлемента при попадании на него светового потока (I0), прошедшего через растворитель, определяется по шкале отсчетного потенциометра в процентах пропускания Т = I/I0·100% или как оптическая плотность D = lg1/ Т.

При необходимости измерить оптическую плотность или про­пускание раствора в другой области спектра операцию повто­ряют.

Порядок работы на спектрофотометрах. Перед включением прибора необходимо убедиться, что шторка фотоприемника (фотоэлементов) и выходная щель закрыты. На шкале рукоятки щели (2) (см. рис. 22, 23) должно быть деление «0», а руко­ятка (4) шторки фотоэлементов должна находиться в положении «Закрыто». Во время работы открывать крышку кюветного отде­ления при открытой шторке фотоэлементов нельзя, иначе они будут выведены из строя. Рукоятка включения блока стабилизи­рованного питания (16) и усилителя прибора (10) перед началом ра­боты должна находиться в положении «Выкл.». В зависимости от устанавливаемой на монохроматоре длины волны светового пучка  источником излучения света может служить дейтериевая лампа для работы в области спектра 186-350 нм или лампа накалива­ния для работы в области 340-1100 нм. Выбор лампы обусловли­вает порядок включения и подготовки спектрофото­метра к работе.

При работе с лампой накаливания необходимо установить рукоятку зеркального конденсора, расположенную на задней стенке осветителя, и рукоятку (15) режима работы стабилизатора в положение «Лампы накал.», а ручку реостата дейтериевой лампы (17) вывести против часовой стрелки до упора. Рукоят­ку (3) устанавливают в положение Ф при работе с сурьмяно-цезиевым фотоэлементом в диапазоне 340-650 нм или в положение К при работе с кислородно-цезиевым фотоэлементом в диапазоне длин волн 600-1100 нм. Затем включают стабилизатор в сеть. Переключатель (16), рас­положенный на панели стабилизатора, переводят в положение «Накал.» и нажимают кнопку «Высокое напряжение» (18); при этом лампы накаливания внутри стабилизатора должны светиться. После прогревания прибора в течение 10 мин рукоятку (16) перево­дят в положение «Лампа накал.» и устанавливают необходимую ширину щели с помощью ручки микровинта (2).

При работе с дейтериевой (или ртутной) лам­пой рукоятку переключения зеркального конденсора, располо­женную на задней стенке осветителя, и тумблер (15) устанавливают в положение «Дейтериевая лампа», рукоятку (16) переключают в положение «Накал.» и поворачивают ручку реостата дейтериевой лампы (17) по часовой стрелке до упора. После двухминутного про­гревания стабилизатора нажимают кнопку (18) и снижают ток на­кала, повернув рукоятку (17) против часовой стрелки примерно на 90°. Переводом рукоятки (3) в положение Ф включают сурьмяно-цезиевый фотоэлемент для работы в диапазоне 186-350 нм.

Для включения лампы накаливания после дейтериевой лампы нужно переключить тумблер (15) в положение «Лампа накал.» и после 2-3-минутного прогревания нити лампы накаливания установить рукоятку (16) в положение «Лампа накал.».

Ход измерения. После включения необходимой лампы приступают к измерению оптической плотности или коэффициен­тов пропускания исследуемых растворов. Для этого следует от­крыть крышку кюветной камеры и установить на подвижную каретку три кюветы с раствором и одну с растворителем, которая ставится обычно в положение «1», закрыть крышку кюветной каме­ры. Переключатель грубой настройки чувствительности (7), имею­щий четыре фиксированных положения «1-4», ставят в одно из них, а рукоятку плавной настройки чувствительности (6) - в среднее положение.

Следует иметь в виду, что различное положение рукоятки грубой чувствительности (7) вызывает необходимость работать со щелями различной ширины. При переключении рукоятки чувстви­тельности из положения «1» в положение «4» величина выходной щели уменьшается примерно в 3 раза, что влечет за собой уменьшение точности отсчета. Узкими щелями обычно пользуются при регист­рации спектров с большим разрешением, например при определе­нии отдельных линий колебательных структур.

Затем, вращая рукоятку (1) в сторону увеличения длин волн, устанавливают по шкале (9) необходимую длину волны. Если при­ходится устанавливать ее от большего к меньшему значению, то вначале устанавливают несколько меньшую необходимой, а затем плавно выставляют требуемую длину волны.

При закрытой шторке фотоэлемента нужно скомпенсировать темновой ток прибора сначала рукояткой грубой (11), а затем тонкой (12) на­стройки до установления стрелки миллиамперметра 8 на нуль. Корректировку темнового тока следует проводить периодически во время работы и при каждом переключении чувствительности прибора. Затем рукояткой (5) устанавливают каретку кюветодержателя в положение «1» (в этом положении против выходной щели монохроматора будет находиться кювета с растворителем или раствором сравнения, оптическая плотность которых условно при­нимается за 0, т.е. 100% пропускания) и открывают шторку фотоэлемента, поставив рукоятку (4) в положение «Откр.».

Вращая рукоятку (2) механизма управления шириной щели, уста­навливают стрелку миллиамперметра на центральное деление шкалы, что соответствует 100% пропускания кюветы сравнения при относительных измерениях оптической плотности исследуемых растворов. При абсолютных измерениях контрольным образцом служит воздух и величина светового потока, прошедшего через свободное окно кюветодержателя, принимается равной 100% про­пускания.

Если с помощью рукоятки (2) установить стрелку миллиампер­метра на центральный штрих не удается (особенно при работе в режиме большой чувствительности прибора), ее плавно подводят рукоят­кой (6). В этом случае ток фотоэлемента будет полностью скомпен­сирован.

Затем движением рукоятки (5) в положение «2-4» устанавливают на пути светового луча (против щели) кювету с исследуемым рас­твором, а рукоятку диапазона измерений 10 переключают в поло­жение «1», которое позволяет проводить измерения в интервале 0-100% шкалы светопропускания (Т).

Если требуется измерить коэффициент пропускания сильно­окрашенных (сильноадсорбирующих) растворов (Т=0-10%) или слабоокрашенных (Т=90-100%) с большой точностью,  то рукоятку (10) устанавливают соответственно в положение «2» или «3».

Поворачивая движок реохорда отсчетного потенциометра рукояткой (13), устанавливают отклонившуюся стрелку миллиам­перметра (8) на центральный штрих (условный нуль), после чего по шкале (14) берут отсчеты оптической плотности (D) или коэффи­циента пропускания (Т). Для проверки правильности проведенно­го измерения следует вывести из светового потока исследуемый раствор и снова ввести в него кювету с растворителем (контроль­ным раствором), установить рукоятку (10) в положение «Выкл.», при этом стрелка миллиамперметра должна оставаться на нуле, а при заметном ее отклонении измерение проверяют. Измерения рекомендуется проводить 2-3 раза и брать среднее их значение. При измерении оптической плотности различных веществ и растворов необходимо стремиться работать при минимальной ши­рине выходной щели, так как это обеспечивает более монохрома­тический световой поток, что повышает чувствительность метода. Следует иметь в виду, что высокая точность измерения концентра­ции растворов возможна лишь в диапазоне 0,2-1,5 шкалы опти­ческой плотности или 15-80% шкалы пропускания. После окон­чания работы необходимо выключить прибор, установив соответ­ствующие тумблеры в нерабочее положение, закрыть шторку фотоэлементов, тщательно вымыть кюветы и убрать рабочее место.