Спектрофотометры, их устройство. Спектрометр - это что такое и для чего используют? Какие бывают спектрофотометры
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.
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:
- 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).
- 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% |
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).
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.
материалы по теме
Лоренсвилль, штат Нью-Джерси - Международный лидер в сфере решений уравнивания цветом и технологий коммуникации цвета Datacolor® на днях оповестил о выпуске портативного спектрофотометра Datacolor 20D, специально спроектированного для ритейлерских торговых центров лакокрасочных товаров и хозяйственных магазинов. В комбинации с новым программным продуктом Datacolor PAINT v. 2.x, Datacolor 20D предоставляет лучшую в отрасли точность цветового равенства в применении красок и покрытий. Этот очень точный спектрофотометр дает лучшее цветовое совпадение с первого измерения на рынке, повышая производительность, экономию средств и удовлетворенность клиентов.
Устройство спектрофотометров и их характеристики могут значительно отличаться в зависимости от производителя и задач, для решения которых рассчитан прибор. Однако основные элементы конструкции у всех приборов сходны. Это источник света, монохроматор, кюветное отделение с образцом и регистрирующего детектора. В качестве источника света чаще всего используются ртутные или галогеновые лампы. Монохроматор - устройство для выделения из всего излучаемого спектра какой-то узкой его части (1-2 нм). Монохроматоры могут быть построены на основе разделяющих свет призм либо на основе дифракционной решетки. Также в некоторых приборах могут дополнительно применяться наборы светофильтров. Кюветное отделение может быть оборудовано механизмами для термостатирования, перемешивания, добавления вешеств непоспедственно в ходе процесса измерения. Для исследований малых объемов веществ может использоваться безкюветная технология, когда образец удерживается за счет сил поверхностного натяжения жидкости.
1 - источник световой энергии (видимая область); 2 - поворотный отражатель; 3 - источник световой энергии (ультрафиолетовая область); 4 - оптическая система, направляющая поток энергии на входную щель; 5 - входная щель; 6 - оптическая система, формирующая параллельный поток световой энергии; 7 - диспергирующий элемент (призма или дифракционная решетка); 8 - оптическая система, направляющая поток энергии на выходную щель; 9 - выходная щель; 10 - оптическая система, формирующая поток энергии, проходящий через кювету; 11 - кювета; 12 - фотоприемник; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - микро-ЭВМ; 15 - индикатор; 16 - пульт оператора; 17 - интерфейс связи с внешней ЭВМ и регистрирующим устройством
Поворотный отражатель (2) направляет поток световой энергии от одного из источников (1 или 3), через оптическую систему (4) на входную щель (5) монохроматора. С выхода монохроматора через щель (9) поступает монохроматический поток световой энергии с определенной длиной волны λ. Установка необходимой длины волны чаще всего осуществляется путем изменения угла падения полихроматического потока световой энергии по отношению к плоскости диспергирующего элемента (7). Оптическая система (10) формирует световой поток таким образом, чтобы при минимально допустимом объеме исследуемого раствора и многократной установке кюветы (11) в кюветное отделение геометрия потока не изменилась.
Полихроматический свет от источника проходит через монохроматор, который разлагает белый свет на цветовые компоненты. Монохроматическое излучение с дискретным интервалом в несколько нанометров проходит через ту часть прибора, где располагается образец с исследуемой пробой.
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ СПЕКТРОФОТОМЕТРА
ИСТОЧНИК СВЕТА
Спектрофотометр UV/VIS (ультрафиолет + видимый свет) имеет два источника света: 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.
КЮВЕТЫ
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. Стандартные кюветы имеют внешние размеры: 12,5 12,5 45 мм, а внутренние - 10 10 мм. Кюветы с меньшим внутренним объемом, выпускаемые одним производителем имеют тот же внешний размер, что и стандартные, но внутренний, например 10 1,25 мм.
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.
МОНОХРОМАТОРЫ
Действие спектральных приборов - спектрофотометров - основано на том, что в некоторых физических системах условия прохождения света оказываются различными. Такие системы называются диспергирующими. Обычно в качестве диспергирующего элемента используют призму или дифракционную решетку. Устройства, позволяющие разделить полихроматический свет на монохроматический спектр излучения, называются монохроматорами.
Функциональная схема монохроматора с призмой.
-входная щель; 2-объектив, формирующий параллельный поток световой энергии; 3-призма; 4 - объектив, направляющий поток энергии на экран; 5 - экран; 6 - выходная щель
Щель (1), на которую падает полихроматический поток световой энергии, находится в фокальной плоскости линзы (2). Эта часть прибора называется коллиматором. Выходящий из объектива (2) параллельный поток световой энергии падает на призму (3). Вследствие дисперсии (обусловленной зависимостью показателя преломления от длины волны) свет различных длин волн выходит из призмы под разными углами. Если в фокальной плоскости линзы объектива (4) поставить экран (5), то линза сфокусирует параллельные потоки энергии для различных длин волн в разных местах экрана. Поворачивая призму (3), можно просканировать через щель (6) монохроматические потоки энергии во всем спектре излучения. Часто в качестве диспергирующего элемента используется дифракционная решетка, которая представляет собой стеклянную или металлическую пластину, на которой нанесены параллельные одинаковые штрихи, расположенные на строго одинаковых расстояниях друг от друга. На рисунке показана дифракционная решетка, состоящая из чередующихся параллельных друг другу щелей одинаковой ширины b, расположенных на одинаковом расстоянии a друг от друга. Сумма (a+b) является периодом этой структуры и называется постоянной решетки d.
Функциональная схема монохроматора с дифракционной решеткой.
- входная щель; 2 - объектив, формирующий параллельный поток световой энергии; 3 - дифракционная решетка; 4 - объектив, направляющий поток энергии на экран; 5 - экран; 6 - выходная щель
Через входную щель (1) полихроматический поток световой энергии линзой объектива (2) трансформируется в параллельный поток, который проходит через щели дифракционной решетки (3). В каждой точке на экране (5), расположенном в фокальной плоскости линзы объектива (4), соберутся те лучи, которые до линзы были параллельными между собой и распространялись под определенным углом Q к направлению падающей волны. Поэтому освещенность в точке Р на экране (5) определяется результатом интерференции вторичных волн, распространяющихся как от разных участков одной щели, так и от разных щелей. Существует направление, распространяясь по которому, вторичные волны от всех щелей будут приходить в точку Р в одной фазе и усиливать друг друга, и другое - когда волны не совпадают по фазе и ослабляют друг друга. Таким образом, на экране наблюдается чередование светлых и темных полос. Условие формирования максимумов от дифракционной решетки, то есть когда волны усиливают друг друга при интерференции, наблюдается тогда, когда разность хода равна целому числу волн. Зависимость формирования максимумов различных длин волн от угла Q дифракционной решетки выражается формулой: d*sinQ = k - 1, где k= 0, 1, 2.
Если на решетку падает свет разных длин волн, то максимумы для различных длин волн располагаются под различными углами Q к первоначальному направлению распространения света. Поэтому дифракционная решетка разлагает полихроматический свет в дифракционный спектр и употребляется как диспергирующий прибор.
Фотометрические исследования проводят с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать часть исследуемого раствора, содержащего все добавляемые компоненты, кроме реагента, образующего с определенным веществом окрашенное соединение. Если раствор сравнения при этом остается бесцветным и, следовательно, не поглощает лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.
Устройство и принцип действия фотометрических приборов рассмотрим на примере колориметра фотоэлектрического концентрационного КФК-2 и спектрофотометра СФ-46.
Однолучевой фотометр КФК-2 предназначен для измерения пропускания, оптической плотности и концентрации окрашенных растворов, рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в области спектра 315-980 нм. Пределы измерения пропускания 100-5% (D = 0-1,3). Основная абсолютная погрешность измерения пропускания 1%.
Принципиальная оптическая схема фотоколориметра КФК-2 представлена на рис. 2.2.
Свет от галогенной малогабаритной лампы (1) проходит последовательно через систему линз, теплозащитный (2), нейтральный (3), выбранный цветной (4) светофильтры, кювету с раствором (5), попадает на пластину (6), которая делит световой поток на два: 10% света направляется на фотодиод при измерениях в области спектра 590-540 нм) и 90% - на фотоэлемент (при измерениях в области спектра 315-540 нм).
Характеристики светофильтров представлены в табл. 2.1.
Фотометр фотоэлектрический КФК-3 предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных жидкостных растворов и прозрачных твердых образцов, а также для измерения скорости изменения оптической плотности вещества и определения концентрации вещества в растворах после предварительной градуировки фотометра. Принципиальная оптическая схема фотометра КФК-3 представлена на рис. 2.3.
Нить лампы (1) изображается конденсором (2) в плоскости диафрагмы Д1 (0,8 х 4,0), заполняя светом щель диафрагмы. Далее диафрагма Д1 изображается вогнутой дифракционной решеткой (4) и вогнутым зеркалом (5) в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д 2 (0,8 х 4,0). Дифракционная решетка (6) и зеркало создают в плоскости диафрагмы Д 2 растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси параллельной штрихам решетки, выделяют щелью диафрагмы Д 2 излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Объектив (7, 8) создает в кюветном отделении слабо светящийся пучок света и формирует увеличенное изображение щели Д 2 перед линзой (10). Линза (10) сводит пучок света на приемнике (11) в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра за диафрагмой Д1 установлен световой фильтр (3), который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315-400 нм, а затем автоматически выводится. В кюветное отделение (между объективом 7, 8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы (9).
Фотометр предназначен для применения в сельском хозяйстве, медицине, на предприятиях водоснабжения, в металлургической, химической, пищевой промышленности и других областях. Пределы измерения коэффициента пропускания - 0,1-100%, оптической плотности - 0-3%.
Спектрофотометр СФ-46 предназначен для измерения спектральных коэффициентов пропускания жидких и твердых веществ в области спектра от 190-1100 нм.
Спектрофотометр СФ-46 - стационарный прибор, рассчитанный на эксплуатацию в лабораторных помещениях, без повышенной опасности поражения электрическим током.
Диапазон измерения спектральных коэффициентов пропускания от 1 до 100%.
Абсолютная погрешность измерения не превышает 1%, а стандартное отклонение пропускания - не более 0,1%.
В основу работы спектрофотометра СФ-46 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 от осветителя попадает в монохроматор через входящую 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. Электрические сигналы на резисторе, включенном в анодную цепь фотоэлемента, пропорциональны потокам излучения, падающим на фотокатод.
Усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления, близким к единице, обеспечивает передачу сигналов на вход микропроцессорной системы (МПС), которая по команде оператора поочередно измеряет и запоминает напряжения UТ, U 0 и U, пропорциональные темновому току фотоэлемента, потоку, прошедшему через исследуемый образец. После измерения МПС рассчитывает коэффициент пропускания исследуемого образца по формуле
В режиме определения оптической плотности образца МПС начислит оптическую плотность по формуле
Значение измеренной величины высвечивается на цифровом фотометрическом табло.
На рис. 2.4 представлена структурная схема, а на рис. 2.5 - оптическая схема спектрофотометра СФ-46.
Излучение от источника (1 или Г) падает на зеркальный конденсатор (2), который направляет его на плоское поворотное зеркало (3) и дает изображение источника излучения в плоскости линзы (4), расположенной вблизи входной щели (5) монохроматора.
Прошедшее через входную щель излучение падает на вогнутую дифракционную решетку (6) с переменным шагом и криволинейным штрихом. Решетка изготовляется на сферической поверхности, поэтому, помимо диспергирующих свойств, она обладает свойством фокусировать спектр. Применение переменного шага и криволинейного штриха значительно уменьшает аберрационное искажение вогнутой дифракционной решетки и позволяет получить высокое качество спектра во всем рабочем спектральном диапазоне.
Дифракционный пучок фокусируется в плоскости выходной щели (7) монохроматора, расположенной над входной щелью (5). Сканирование осуществляется поворотом дифракционной решетки, при этом монохроматическое излучение различных длин волн проходит через выходную щель (7) и линзу (8), контрольный или исследуемый образец, линзу (9) и с помощью поворотного зеркала (10) попадает на светочувствительный слой одного из фотоэлементов (11 или 12).
Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются два фотоэлемента два источника излучения сплошного спектра.
Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерения в области спектра от 186 до 700 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент - для измерения в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указывается в паспорте.
Применение
Спектрофотометры могут работать в различных диапазонах длин волн - от ультрафиолетового до инфракрасного . В зависимости от этого приборы имеют разное назначение.
Назначение
Основное назначение спектрофотометров в полиграфической отрасли - проведение точной линеаризации и калибровки процессов печати. Спектрофотометры компаний GretagMacbeth, X-Rite, Techkon, Konica-Minolta и других производителей предоставляют возможность проведения точечных и автоматизированных измерений для создания высококачественных ICC-профилей .
Конструкция
На рисунках приведены две основные схемы спектрофотометров, измеряющих спектральный апертурный коэффициент отражения данного объекта относительно рабочего стандарта с известной спектральной характеристикой:
Измеряемый образец освещается монохроматическим светом.
Конструктивные схемы
Есть две схемы построения спектрофотометров: спектрофотометр в виде клиновидной пластинки и с применением гетеродинной схемы приема светового излучения.
В виде клиновидной пластинки
Спектрофотометр в виде клиновидной пластинки
Спектрофотометр (рис.1) выполнен в виде клиновидной пластинки, на одну из поверхностей которой нанесен тонкий, частично пропускающий слой, а на другую поверхность нанесено отражающее покрытие, частично пропускающее световое излучение.
Принцип работы спектрофотометра основан на регистрации интерференционных полос стоячей световой волны путём проецирования изображения системы интерференционных полос на фоточувствительные линейки. При этом метод обработки сигнала отличается от традиционной Фурье-спектроскопии лишь тем, что преобразованию подвергаются сигналы не временной, а пространственной частоты. Спектрофотометр обладает высокой помехоустойчивостью к некогерентному световому излучению.
Гетеродинная схема
Гетеродинная схема приема светового излучения.
Для этого спектрофотометр снабжают вторым лазером с частотой излучения, отличающегося от первого на частоту светового биения (рис.2). При этом от излучения второго лазера образуются интерференционные полосы практически с тем же периодом d, а на тонком слое, как на смесителе, возникают световые биения. Полученные электрические сигналы регистрируют и подвергают двухмерному преобразованию Фурье.
Светофильтры
В полиграфии могут использоваться следующие светофильтры:
- POL - поляризационный фильтр. Используется для получения предположительного спектра после закрепления краски.
- D65 - применяется для имитации источника излучения D65.
- UV-cut применяется при измерении оптических плотностей бумаг, в которых используются флюоресцентные оптические отбеливатели.
- No - обозначение отсутствия светофильтра. Обычно используется прозрачное стекло, защищающее спекрофотометр от пыли.
Источники излучения
Основными источниками излучения являются:
- А (свет лампы накаливания, 2856 К);
- С (непрямой солнечный свет, 6774 К);
- D (дневной свет, 5000 К);
- D65 (дневной свет, 6500 К);
- F11 (флуоресцентное излучение узкого диапазона отвечающее трубке Philips TL84);
- и т. п.
Оптическая схема
Геометрия измерения
- 45/0 (образец освещается одним или несколькими световыми пучками, оси которых образуют угол 45±5° относительно нормали к поверхности образца).
- 0/45 10° ).
- D/0 (образец освещается диффузно с помощью интегрирующей сферы. Интегрирующая сфера может иметь любой диаметр при условии, что суммарная площадь отверстий не превышает 10 % внутренней отражающей поверхности сферы).
- 0/D (образец освещается световым пучком, ось которого составляет с нормалью к образцу угол не более 10° . Отраженный поток собирается с помощью интегрирующей сферы).
Модификация основных геометрий измерений
Для исключения зеркальной составляющей высокоглянцевых материалов приемник света размещается под углом 8° к нормали, а напротив него симметрично относительно нормали устанавливается ловушка блеска. Свет, который не попадает на образец под углом 8° (благодаря ловушке блеска), не отражается зеркально в направлении приемника, следовательно, отраженнный образцом поток состоит только из диффузного света. В таком случае геометрия измерения становится D/8 . Если зеркальный компонент включен, то обозначение такого - D/8:i (ловушка закрыта). Если выключен, то геометрия измерения обозначается D/8:е (ловушка открыта).
Спецификация
Спектральная разрешающая способность - минимальный шаг длины волны, сигналы на краях которого ещё можно различить на спектре. Обычно шаг, на который изменяется величина длины волны равен 10 нм, что позволяет с высокой степенью точности производить измерения спектра любых излучений. Более точные спектрофотометры, применяемые для исследовательских целей, могут производить измерения спектра и в более узких интервалах равных 5 нм и 1 нм, однако точность будет являться излишней при использовании в полиграфии.
Спектральный диапазон это диапазон в пределах которого может работать спектрофотометр. Для большинства случаев в полиграфии оценивается спектр светового излучения в видимом диапазоне длин волн от 380 до 730 нм. Для некоторых случаев бывает необходимым оценить ультрафиолетовую и инфракрасную составляющую излучения. Спектрофотометры измеряют только спектр излучения. Все остальные характеристики рассматриваются по спектральным данным.
Межприборная согласованность - это разброс измеряемых значений одного и того же образца, измеряемого с помощью эталонного и исследуемого прибора.
Повторяемость определяет точность измерений, которые осуществляются теми же операторами при нескольких измерениях одинаковыми приборами одних и тех же образцов.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы : Спектрофотометр - это инструмент, который измеряет интенсивность излучения или количество фотонов на разных длинах волн. Этот научный инструмент также используется для исследовательских целей в молекулярной биологии для измерения роста бактерий.Спектрофотометр идентифицирует передачу определенного вещества путем определения наблюдаемого цвета. Инструмент обычно используется для измерения концентрации РНК и . Кроме того, ферментативные и химические реакции изменяют цвет с течением времени, а спектрофотометр полезен для измерения различных изменений цвета.
Как работают спектрофотометры?
Спектрофотометр использует источник света для создания отдельных длин волн видимого света, одновременно создавая длины волн света в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Дифракционная решетка и фильтры делят свет на отдельные длины волн, направляя небольшой диапазон длины волны через предоставленный образец. Фотодетектор преобразует свет, полученный через образец, в ток, отправленный в процессор сигналов. После того, как процессор сигналов преобразует ток, значения концентрации, поглощающая способность и коэффициент пропускания отображаются на цифровом дисплее прибора.Устройство спектрофотометра
Каковы компоненты спектрофотометра?Спектрофотометр имеет несколько частей, которые включают фильтр, фотодетектор, источник света и процессор сигналов. Однако два основных компонента состоят из фотометра и спектрометра. Фотометр измеряет интенсивность света, в то время как спектрометр измеряет, производит и рассеивает свет. Эти компоненты объединяются, образуя два разных типа спектрофотометра.
Типы спектрофотометров
- однолучевой;
- двухлучевой;
Как использовать спектрофотометры?
Для использования спектрофотометра очистите кювету. Важно надеть перчатки, так как любые отпечатки пальцев или грязь, могут повлиять на результаты. Затем добавьте раствор и установите спектрофотометр на предпочтительную длину волны. Поместите пустую кювету внутрь инструмента и нажмите кнопку «установить нуль», чтобы калибровать прибор на желаемую длину волны. Добавьте решение для расчета поглощающей способности.Закон Беэр-Ламберта в Спектрофотометрии
Для использования спектрофотометра важно понимать само понятие "спектр света" и знать закон Бера-Ламберта . Спектр состоит из радуги цветов, создаваемых, когда композитный свет, такой как белый свет, разделяется на несколько компонентных цветов. Спектрофотометрия использует источник света, коллиматор, монохроматор, раствор и детектор.Уравнение закона Беэр-Ламберта показывает линейную зависимость между впитывающей способностью и концентрацией образца. Это понимание требует определения того, что поглощающая способность прямо пропорциональна длине пути кюветы, а также любому поглощению предпочтительного образца. Реакции измеряются увеличением поглощения, поскольку наблюдаются изменения цвета. Научные машины, такие как спектрофотометры или , помогают улучшить исследования в лабораториях химии, биологии и биохимии.
Где применяется спектрофотометр и как измеряет? Все, что Вы должны знать
Как уже говорилось, спектрофотометр является одним из научных инструментов, широко распространенных во многих исследовательских и промышленных лабораториях. Спектрофотометры используются для исследований в лабораториях физики, молекулярной биологии, химии и биохимии. Как правило, название относится к ультрафиолетовой видимой (UV-Vis) спектроскопии.Энергия света зависит от длины волны, обычно обозначаемой как лямбда. Хотя электромагнитный спектр распространяется в огромном диапазоне длин волн, большинство лабораторий может измерять только небольшую их часть. UV-Vis Spectroscopy измеряет от 200 до 400 нанометров (нм) для измерений ультрафиолетового света и до приблизительно 750 нм в видимом спектре.
Для УФ-видимой спектроскопии образцы обычно содержатся и измеряются в небольших контейнерах, называемых кюветами. Они могут быть пластичными, если используются в видимом спектре, но должны быть кварцевыми или плавлеными кварцами, если используются для измерений в ультрафиолетовых лучах. Есть некоторые машины, которые могут использовать стеклянные пробирки.
Видимая спектроскопия часто используется в промышленности для колориметрии. Используя этот метод, образцы измеряются на нескольких длинах волн от 400 до 700 нм, и их профили поглощения сравниваются со стандартом. Этот метод часто используется производителями текстиля и чернил. Другими коммерческими пользователями UV-Vis Spectroscopy являются судебно-медицинские лаборатории и принтеры.
В биологических и химических исследованиях растворы часто измеряются путем измерения степени поглощения света на определенной длине волны. Значение, называемое коэффициентом экстинкции, используется для расчета концентрации соединения. Например, лаборатории молекулярной биологии используют спектрофотометры для измерения концентрации образцов ДНК или РНК. Иногда у них есть продвинутый аппарат, называемый спектрофотометром NanoDrop ™, который использует долю количества образца по сравнению с тем, который используется традиционными спектрофотометрами.
Чтобы количественная оценка была действительной, образец должен соответствовать закону Бера-Ламберта. Это требует, чтобы поглощение было прямо пропорционально длине пути кюветы и поглощению соединения. Есть таблицы коэффициентов вымирания, доступные для многих, но не для всех соединений.
Многие химические и ферментативные реакции меняют цвет с течением времени, и спектрофотометры очень полезны для измерения этих изменений. Например, полифенолоксидазы, которые приводят к коричневому цвету плодов, окисляют растворы фенольных соединений, превращая прозрачные растворы в те, которые имеют видимую окраску. Такие реакции могут быть проанализированы путем измерения увеличения поглощения при изменении цвета. В идеале скорость изменения будет линейной, и по этим данным можно рассчитать показатели. Более продвинутый спектрофотометр будет иметь термостатированный кюветный держатель для проведения реакций при точной температуре, идеальной для фермента.
Микробиологические и молекулярно-биологические лаборатории часто используют спектрофотометр для измерения роста культур бактерий. Эксперименты по клонированию ДНК часто проводятся на бактериях, и исследователи должны измерить стадию роста культуры, чтобы знать, когда проводить определенные процедуры. Они измеряют поглощение, которое известно как оптическая плотность (OD), на спектрофотометре. По ОД можно судить, активно ли делятся бактерии или начинают ли они умирать.
Спектрофотометры используют источник света для освещения массива длин волн через монохроматор. Затем это устройство пропускает узкую полосу света, и спектрофотометр сравнивает интенсивность света, проходящего через образец, с интенсивностью света, проходящей через контрольное соединение. Например, если соединение растворяют в этаноле, эталоном будет этанол. Результат отображается как степень поглощения разности между ними. Это указывает на поглощение образца соединения.
Причиной такого поглощения является то, что как ультрафиолетовый, так и видимый свет имеют достаточно энергии для возбуждения химических веществ до более высоких уровней энергии. Это возбуждение приводит к более высокой длине волны, которая видна, когда поглощение наносится на график в зависимости от длины волны. Различные молекулы или неорганические соединения поглощают энергию на разных длинах волн. Те с максимальным поглощением в видимой области видны как окрашенные человеческим глазом.
Растворы соединений могут быть прозрачными, но поглощать в УФ-диапазоне. Такие соединения обычно имеют двойные связи или ароматические кольца. Иногда имеется один или несколько обнаруживаемых пиков, когда степень поглощения отображается в зависимости от длины волны. Если это так, это может помочь в идентификации некоторых соединений путем сравнения формы графика с формой известных контрольных графиков.
Существует два типа ультрафиолетовых спектрофотометров: однолучевой и двухлучевой. Они отличаются тем, как они измеряют интенсивность света между эталонным и тестовым образцом. Двухлучевые машины измеряют эталонный и тестовый состав одновременно, в то время как однолучевые машины измеряют до и после добавления тестируемого состава.
