Was ist ein Spektralfotometer? Spektrometer – was ist das und wozu dient es? Wie funktioniert ein Spektralfotometer?

Spektrophotometrie ist eine experimentelle Methode, die die Konzentration gelöster Stoffe anhand der von einer Lösung absorbierten Lichtmenge misst. Die hohe Effizienz dieser Methode beruht auf der Tatsache, dass verschiedene Verbindungen Licht unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich absorbieren. Anhand der Lichtmenge, die eine Lösung durchdringt, können Sie herausfinden, welche Verbindungen in der Lösung vorhanden sind, und deren Konzentrationen bestimmen. In Laboren wird hierfür ein spezielles Gerät verwendet – ein Spektralphotometer.

Schritte

Teil 1

Probenvorbereitung

Schalten Sie das Spektralfotometer ein. Die meisten Spektralphotometer müssen vorgeheizt werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Schalten Sie das Gerät ein und warten Sie mindestens 15 Minuten, bevor Sie Messungen durchführen.

• Nutzen Sie die Aufwärmzeit des Instruments, um Proben vorzubereiten.

1. Küvetten und Reagenzgläser waschen. Bei Laborarbeiten in der Schule erhalten Sie möglicherweise Einweg-Reagenzgläser, die nicht gereinigt werden müssen. Wenn Sie wiederverwendbare Küvetten oder Reagenzgläser verwenden, müssen diese vor der Verwendung gründlich gewaschen werden. Waschen Sie alle Utensilien gründlich mit entionisiertem Wasser.

   Geben Sie die erforderliche Menge Testflüssigkeit in die Küvette. Einige Küvetten haben ein maximales Volumen von 1 Milliliter (ml), während Röhrchen 5 ml fassen können. Um genaue Ergebnisse zu erhalten, ist es notwendig, dass der Laserstrahl die Flüssigkeit durchdringt und den leeren Teil des Behälters nicht berührt.

   Bereiten Sie eine Kontrolllösung vor. Die Kontroll- oder Blindlösung ist ein reines Lösungsmittel ohne Verunreinigungen in anderen Proben. Wenn Sie beispielsweise Salz in Wasser gelöst haben, sollten Sie als Blindlösung klares Wasser verwenden. Wenn Sie gleichzeitig das Wasser rot gefärbt haben, müssen Sie auch rotes Wasser als Blindlösung nehmen. Die Blindlösung sollte das gleiche Volumen wie die Testlösungen haben und in denselben Behälter gegossen werden.

   Wischen Sie die Außenfläche der Küvette ab. Bevor Sie die Küvette in das Spektralphotometer einsetzen, müssen Sie sicherstellen, dass diese sauber ist, da sonst Schmutz- und Staubpartikel die Ergebnisse verfälschen können. Wischen Sie die Außenseite der Küvette mit einem fusselfreien Tuch ab, um eventuelle Wassertropfen oder Staubpartikel zu entfernen.

   Teil 2

   Durchführung eines Experiments

   1. Wählen Sie die Wellenlänge des Lichts aus und stellen Sie sie ein, um Proben zu analysieren. Für eine höhere Genauigkeit verwenden Sie Licht einer Wellenlänge (monochromatisches Licht). Es ist notwendig, eine Wellenlänge so zu wählen, dass das Licht von einer der Verbindungen absorbiert wird, die Teil der untersuchten Lösung sein sollen. Stellen Sie am Spektralfotometer die ausgewählte Wellenlänge gemäß der Bedienungsanleitung des Geräts ein.

      Kalibrieren Sie das Gerät mit einer Blindlösung. Stellen Sie eine Küvette mit einer Blindlösung in den Spektrophotometerhalter und schließen Sie den Gerätedeckel. Analoge Spektralphotometer sind mit einer Skala mit Pfeil ausgestattet, deren Ablenkwinkel durch die Intensität des durchgelassenen Lichts bestimmt wird. Wenn die Lösung leer ist, weicht der Pfeil nach rechts ab. Notieren Sie sich die Messwerte des Geräts, falls Sie sie später benötigen. Anschließend die Nadel mit dem Einstellknopf in die Nullposition bringen (die Blindlösung sollte noch im Gerät verbleiben).

      • Digitale Spektralfotometer verfügen über ein Display statt einer Skala und können auf die gleiche Weise kalibriert werden. Stellen Sie den Rohling mit den Einstelltasten auf Null.
      • Die Kalibrierung wird fortgesetzt, nachdem Sie die Blindlösung entfernt haben. Bei der Arbeit mit anderen Proben wird das vom reinen Lösungsmittel absorbierte Licht automatisch von den Instrumentenmesswerten abgezogen.

   2. Entfernen Sie die leere Küvette und überprüfen Sie die Kalibrierung. Wenn keine Blindlösung vorhanden ist, sollte die Nadel auf Null bleiben (oder die Anzeige sollte auf Null bleiben). Geben Sie die Blindlösung zurück in das Gerät und prüfen Sie, ob das Spektrophotometer immer noch Null anzeigt. Bei korrekter Kalibrierung sollte das Gerät sowohl mit als auch ohne Blindlösung Null anzeigen.

      • Wenn die Gerätewerte ungleich Null sind, wiederholen Sie die Kalibrierung mit einer Blindlösung.
      • Bei weiteren Problemen bitten Sie um Hilfe oder kontaktieren Sie Ihren Servicetechniker.

   3. Messen Sie die optische Dichte der Versuchsprobe. Entfernen Sie die Blindlösung aus dem Gerät und geben Sie die Testprobe hinein. Warten Sie etwa 10 Minuten, bis sich die Nadel beruhigt oder bis sich die Zahlen auf dem Display nicht mehr ändern. Notieren Sie dann den Transmissions- und/oder Absorptionswert.

      • Je mehr Licht durch die Probe dringt, desto weniger Licht absorbiert sie. Typischerweise werden Extinktionswerte als Dezimalzahlen aufgezeichnet, beispielsweise 0,43.
      • Wiederholen Sie die Messungen für jede Probe mindestens dreimal und ermitteln Sie die Durchschnittswerte. Auf diese Weise erhalten Sie genauere Ergebnisse.

   4. Wiederholen Sie das Experiment für andere Wellenlängen. Die Probe kann mehrere unbekannte Verunreinigungen enthalten, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen absorbieren. Um Unsicherheiten auszuschließen, wiederholen Sie die Messungen in 25-nm-Schritten für das gesamte Spektrum. Dadurch können Sie andere Verbindungen identifizieren, die Teil der untersuchten Lösung sind.

In diesem Artikel werden wir über die Funktionsprinzipien von Spektrophotometern sprechen; darüber, wo sie eingesetzt werden und wie man bei Bedarf ein Spektralfotometer auswählt.

Funktionsprinzip von Spektralphotometern

Spektrometriemethoden basieren auf der Messung des Absorptionsgrades (Reflexionsgrads) eines monochromatischen Lichtstroms – in diesem Fall wird der Einfluss von Fremdfaktoren minimiert und die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Instrumente erhöht.

Es gibt zwei Hauptausführungen von Spektralfotometern: Einstrahl- und Zweistrahl-Spektralphotometer. Bei einem Zweistrahl-Spektrophotometer fällt ein Strahl auf die zu untersuchende Probe und der zweite auf den Standard. Bei einem Einstrahlgerät erfolgt die Messung mit Korrekturfaktoren. Doppelstrahl-Spektrophotometer sind genauer, ermöglichen ein hohes Maß an Wiederholbarkeit der Ergebnisse und reagieren weniger empfindlich auf Änderungen der Umgebungsparameter.

Anwendungen von Spektralphotometern

Spektralphotometer werden hauptsächlich verwendet für:
- Bestimmung der Konzentration von Stoffen in der Medizin, biologischen Forschung, analytischen Chemie, Pharmazeutika;
- Messungen der optischen Dichte und der Änderungsrate in Lösungen;
- Erkennung von Stoffen, um die Reinheit von Stoffen (das Vorhandensein von Verunreinigungen) zu bestimmen;
- Untersuchung der chemischen Struktur und Zusammensetzung von Substanzen, chemischen Reagenzien und verschiedenen Proben;
- Farbbeurteilung im Druckwesen, in der Industrie (Farben und Lacke, Textil, Chemie, Lebensmittel, Kosmetik usw.);
- Spektralanalyse in der wissenschaftlichen Forschung, Astronomie, Physik, Biologie.

So wählen Sie ein Spektralfotometer aus

Bei der Auswahl eines Spektralfotometers müssen Sie im Voraus die grundlegenden Parameter bestimmen, die zur Lösung der vorliegenden Probleme erforderlich sind. Alle Geräte lassen sich in zwei große Gruppen einteilen:
- tragbar;
- stationär.

Tragbare Geräte sind leicht und kompakt, können unterwegs mitgenommen werden und eignen sich für betriebliche Messungen in der Produktion. Stationäre Geräte sind für den Einbau in Laboratorien konzipiert; sie ermöglichen genauere und komplexere Messungen. Solche Spektralfotometer können über eine Schnittstelle zum Anschluss an einen Computer zum Archivieren, Drucken und Verarbeiten von Daten verfügen.

Unter den technischen Parametern, die für die chemische Analyse* wesentlich sind, sollten folgende berücksichtigt werden:
- Spektralbereich;
- Genauigkeit der Wellenlängenauswahl;
- Merkmale der Wiederholbarkeit der Ergebnisse (ein Wert, der die Nähe einer Reihe von Ergebnissen bei der Untersuchung derselben Probe mit derselben Methode durch einen Laborassistenten, auf einem Gerät und in einem Labor angibt);
- Funktionalität des Geräts, die Fähigkeit, bestimmte Messungen durchzuführen und Ergebnisse in praktischer Form zu erhalten;
- Kosten (abhängig von Funktionalität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse);
- Abmessungen und Gewicht, wenn es sich um ein mobiles Gerät handelt;
- Abmessungen des Probenraums, wenn es sich um ein stationäres Gerät handelt; Es sollte für Ihre Proben geeignet sein.

Zusätzlich können Sie die Präsenz in der Standardkonfiguration berücksichtigen diverses Zubehör, wie Küvetten und Petrischalen.

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* Für kolorimetrische Messungen sind andere Spektralfotometerparameter unerlässlich.

Das Spektralfotometer SF-46 ist für die Durchführung spektralfotometrischer Messungen im Bereich von 190 – 1100 nm konzipiert. Mit seiner Hilfe können Sie die spektralen Abhängigkeiten der Transmission, der optischen Dichte fester und flüssiger Proben sowie die Änderungsrate der optischen Dichte messen und bei linearer Abhängigkeit der optischen Dichte von der Konzentration die Konzentration einer Lösung bestimmen.

Das Blockschaltbild des Spektrophotometers ist in Abb. dargestellt. 1.

Reis. 1 Blockschaltbild des Spektralphotometers SF-46

1 – Beleuchtung; 2 – Monochromator; 3 – Küvette

Abteilung; 4 Empfangs- und Verstärkereinheit;

5 – Mikroprozessorsystem

1 Optisches Design

Strahlung von Quelle 1 (Abb. 2) oder 1' fällt auf den Spiegelkondensor 2, der sie auf einen flachen rotierenden Spiegel 3 lenkt und ein Bild der Strahlungsquelle in der Ebene der Linse 4 erzeugt, die sich in der Nähe des Eintrittsspalts 5 befindet des Monochromators.

Der Monochromator basiert auf einem vertikalen Autokollimationsschema.

Die durch den Eintrittsspalt hindurchtretende Strahlung fällt auf ein konkaves Beugungsgitter 6 mit variabler Teilung und gekrümmter Linie. Ein Beugungsgitter hat zusätzlich zu seinen dispersiven Eigenschaften die Eigenschaft, das Spektrum zu bündeln. Die Verwendung einer variablen Teilung und einer gekrümmten Rille reduziert die Aberrationsverzerrungen des konkaven Beugungsgitters erheblich und ermöglicht den Erhalt eines qualitativ hochwertigen Spektrums über den gesamten Betriebsbereich.

Der gebeugte Strahl wird in der Ebene des Ausgangsspalts 7 des Monochromators fokussiert, der sich über dem Eingangsspalt 5 befindet. Die Abtastung erfolgt durch Drehen des Beugungsgitters, während monochromatische Strahlung verschiedener Wellenlängen durch den Ausgangsspalt 7 und die Linse 8 gelangt. Kontroll- oder Messprobe, Linse 9 und Verwendung eines rotierenden Spiegels 10 fällt auf die lichtempfindliche Schicht der Fotozelle 11 oder 12.

Um Streulicht zu reduzieren und höhere Beugungsordnungen abzuschneiden, verwendet das Spektralphotometer zwei Lichtfilter: PS11-Glas für Arbeiten im Spektralbereich von 230–450 nm und OS14-Glas für Arbeiten im Spektralbereich von 600–1100 nm. Die Filter werden automatisch gewechselt.

Linsen bestehen aus Quarzglas mit hoher Durchlässigkeit im ultravioletten Bereich des Spektrums

Reis. 2 Optisches Diagramm des SF-46-Spektrophotometers

Um den Betrieb des Spektralphotometers in einem breiten Spektralbereich sicherzustellen, werden zwei Fotozellen und zwei Strahlungsquellen mit kontinuierlichem Spektrum verwendet. Für Messungen im Spektralbereich von 190 bis 700 nm wird eine Antimon-Cäsium-Fotozelle mit Quarzglasfenster und für Messungen im Spektralbereich von 600 bis 1100 nm eine Sauerstoff-Cäsium-Fotozelle verwendet. Die Wellenlänge, bei der Sie von der Messung mit einer Fotozelle zur Messung mit einer anderen Fotozelle wechseln sollten, ist im Spektralfotometerpass angegeben.

Eine Deuteriumlampe ist für den Betrieb im Spektralbereich von 190 bis 350 nm ausgelegt, eine Glühlampe für den Betrieb im Spektralbereich von 340 bis 1100 nm. Zur Überprüfung der Kalibrierung wird eine Quecksilber-Helium-Lampe DRGS-12 verwendet.

Der Aufbau von Spektralfotometern und ihre Eigenschaften können je nach Hersteller und Aufgabenstellung des Geräts erheblich variieren. Die grundlegenden Designelemente sind jedoch bei allen Geräten ähnlich. Dies sind eine Lichtquelle, ein Monochromator, ein Küvettenfach mit einer Probe und ein Aufnahmedetektor. Als Lichtquelle kommen meist Quecksilber- oder Halogenlampen zum Einsatz. Ein Monochromator ist ein Gerät zur Auswahl eines schmalen Teils davon (1–2 nm) aus dem gesamten emittierten Spektrum. Monochromatoren können auf der Basis lichtteilender Prismen oder auf Basis eines Beugungsgitters aufgebaut sein. Einige Geräte verwenden möglicherweise zusätzlich Lichtfiltersätze. Der Küvettenraum kann mit Mechanismen zur Thermostatisierung, Mischung und Zugabe von Substanzen direkt während des Messvorgangs ausgestattet werden. Für die Untersuchung kleiner Substanzvolumina kann die zelllose Technologie eingesetzt werden, bei der die Probe aufgrund der Kräfte der Oberflächenspannung der Flüssigkeit gehalten wird.

1 - Lichtenergiequelle (sichtbarer Bereich); 2 - rotierender Reflektor; 3 - Lichtenergiequelle (ultravioletter Bereich); 4 – optisches System, das den Energiefluss zum Eintrittsspalt leitet; 5 - Eingangsschlitz; 6 - optisches System, das einen parallelen Lichtenergiefluss erzeugt; 7 - Streuelement (Prisma oder Beugungsgitter); 8 – optisches System, das den Energiefluss zum Austrittsspalt leitet; 9 - Ausgangsschlitz; 10 - optisches System, das den durch die Zelle fließenden Energiefluss formt; 11 - Küvette; 12 - Fotodetektor; 13 - Analog-Digital-Wandler; 14 - Mikrocomputer; 15 - Indikator; 16 - Bedienerkonsole; 17 – Kommunikationsschnittstelle mit einem externen Computer und Aufzeichnungsgerät

Der rotierende Reflektor (2) leitet den Lichtenergiefluss von einer der Quellen (1 oder 3) durch das optische System (4) zum Eintrittsspalt (5) des Monochromators. Vom Ausgang des Monochromators gelangt ein monochromatischer Strom von Lichtenergie mit einer bestimmten Wellenlänge λ durch den Spalt (9). Die Einstellung der erforderlichen Wellenlänge erfolgt meist durch Änderung des Einfallswinkels des polychromatischen Lichtenergieflusses relativ zur Ebene des Dispersionselements (7). Das optische System (10) formt den Lichtstrom so, dass sich bei minimal zulässigem Volumen der Testlösung und wiederholtem Einbau der Küvette (11) in den Küvettenraum die Geometrie des Stroms nicht verändert.

Polychromatisches Licht von der Quelle durchläuft einen Monochromator, der weißes Licht in Farbkomponenten aufspaltet. Monochromatische Strahlung mit diskreten Abständen von mehreren Nanometern durchdringt den Teil des Geräts, in dem sich die Probe mit der Testprobe befindet.

HAUPTEINHEITEN DES SPEKTROPHOTOMETERS

LICHTQUELLE

Das UV/VIS-Spektrophotometer (Ultraviolett + sichtbares Licht) verfügt über zwei Lichtquellen: für den sichtbaren Teil des Spektrums und eine Ultraviolettquelle – von 200 bis 390 nm.

Die Quelle des sichtbaren Lichts ist eine Wolframlampe, meist eine Halogenlampe, die einen konstanten Lichtstrom im Bereich von 380 – 950 nm erzeugt und eine stabile und langlebige Lichtenergiequelle mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von mehr als 500 Stunden darstellt.

Als UV-Quelle werden Wasserstoff- oder Deuteriumlampen verwendet. Deuteriumhaltige Ultraviolettlampen haben eine hohe Emissionsintensität und ein kontinuierliches Spektrum im Bereich von 200 bis 360 nm.

Küvetten

Wie Sie wissen, wird die zu untersuchende Probe in speziellen Anlagen abgelegt. Sie sind für jede Art von Probe unterschiedlich. Für Feststoffe sind dies spezielle Klemmen und für spektrale Messungen flüssiger Proben werden spezielle Behälter aus Quarzglas, sogenannte Küvetten, verwendet.

Die meisten Spektrophotometer verwenden Standardküvetten, die so konzipiert sind, dass sie den Lichtstrahl horizontal ausbreiten können. Der Hauptnachteil solcher Küvetten besteht darin, dass nur ein kleiner Teil der Probe (ca. 10 %) vom Messlicht beleuchtet wird. Wenn die Probe von hohem Wert ist oder in kleinen Volumina verfügbar ist, können Mikroküvetten oder Ultramikroküvetten mit einem Volumen von 50 oder sogar 2,5 µl verwendet werden. Küvetten mit sehr kleinem Volumen weisen Kapillareigenschaften auf und es kommt zu Problemen mit der Bildung von Luftblasen, die eine Entgasung erfordern. Schließlich ist es schwierig, die Probe aus solchen Küvetten zu entnehmen. Standardküvetten haben Außenmaße von 12,5 x 12,5 x 45 mm und Innenmaße von 10 x 10 mm. Küvetten mit kleinerem Innenvolumen, die von einem Hersteller hergestellt werden, haben die gleiche Außengröße wie die Standardküvetten, aber die Innengröße beträgt beispielsweise 10 1,25 mm.

DISPERGIERELEMENT

In Spektrophotometern werden am häufigsten Prismen und Beugungsgitter als dispergierende Elemente verwendet.

Ein Beugungsgitter ist ein technologisch komplexeres Produkt als ein Prisma. Die meisten der derzeit verwendeten Gitter werden durch Brennen und holografisches Kopieren hergestellt und sind Platten mit einer großen Anzahl paralleler Linien – bis zu mehreren Hundert pro Millimeter.

Der Hauptvorteil der Verwendung eines Prismas in einem Spektrophotometer sind seine geringen Kosten.

Der Vorteil von Beugungsgittern besteht darin, dass sie eine lineare Lichtstreuung über den gesamten Bereich des sichtbaren und UV-Spektrums ermöglichen. Ein negativer Aspekt bei der Verwendung von Beugungsgittern sind ihre hohen Kosten im Vergleich zu Prismen und Filtern.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Monochromatoren ist die Bandbreite, ausgedrückt in Wellenlängeneinheiten – Nanometern.

Wenn Interferenzfilter eine Transmissionsbreite im Bereich von 6 bis 20 nm bieten, sorgen Prismen und Beugungsgitter für ein schmaleres Band – weniger als 5 nm und damit für eine größere „Reinheit“ (monochrom) des auf die Küvette mit der Probe einfallenden Lichts . Die Bandbreite ist eine der wichtigsten Eigenschaften eines Spektralfotometers. Eine Verringerung der Bandbreite führt zu einer Erhöhung der Auflösung des Spektralfotometers – ein wesentliches Merkmal der Qualität spektralfotometrischer Instrumente.

MONOCHROMATER

Die Funktionsweise von Spektralgeräten – Spektrophotometern – basiert auf der Tatsache, dass in manchen physikalischen Systemen die Bedingungen für den Lichtdurchgang unterschiedlich sind. Solche Systeme werden dispersiv genannt. Typischerweise wird als dispergierendes Element ein Prisma oder ein Beugungsgitter verwendet. Geräte, die es ermöglichen, polychromatisches Licht in ein monochromatisches Emissionsspektrum zu zerlegen, werden Monochromatoren genannt.

Funktionsdiagramm eines Monochromators mit Prisma.

- Eingangsschlitz; 2-Linse, die einen parallelen Lichtenergiefluss bildet; 3-Prisma; 4 – Linse, die den Energiefluss auf den Bildschirm leitet; 5 - Bildschirm; 6 - Ausgangsschlitz

In der Brennebene der Linse (2) befindet sich der Spalt (1), auf den der polychromatische Lichtenergiefluss fällt. Dieser Teil des Geräts wird Kollimator genannt. Ein paralleler Lichtenergiestrom, der aus der Linse (2) austritt, fällt auf das Prisma (3). Aufgrund der Dispersion (aufgrund der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge) verlässt Licht unterschiedlicher Wellenlänge das Prisma in unterschiedlichen Winkeln. Wenn ein Schirm (5) in der Brennebene der Objektivlinse (4) platziert wird, fokussiert die Linse parallele Energieflüsse für verschiedene Wellenlängen an verschiedenen Stellen auf dem Schirm. Durch Drehen des Prismas (3) können durch den Spalt (6) monochromatische Energieflüsse im gesamten Strahlungsspektrum abgetastet werden. Als dispergierendes Element wird häufig ein Beugungsgitter verwendet, bei dem es sich um eine Glas- oder Metallplatte handelt, auf die parallele, identische Striche aufgetragen werden, die in genau gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. Die Abbildung zeigt ein Beugungsgitter, das aus abwechselnd zueinander parallelen Schlitzen gleicher Breite b besteht, die im gleichen Abstand a voneinander angeordnet sind. Die Summe (a+b) ist die Periode dieser Struktur und wird Gitterkonstante d genannt.

Funktionsdiagramm eines Monochromators mit Beugungsgitter.

- Eingangsschlitz; 2 - Linse, die einen parallelen Lichtenergiefluss bildet; 3 - Beugungsgitter; 4 - Linse, die den Energiefluss auf den Bildschirm leitet; 5 - Bildschirm; 6 - Ausgangsschlitz

Durch den Eintrittsspalt (1) wird der polychromatische Lichtenergiefluss durch die Objektivlinse (2) in einen parallelen Fluss umgewandelt, der durch die Schlitze des Beugungsgitters (3) verläuft. An jedem Punkt auf dem Bildschirm (5), der sich in der Brennebene der Objektivlinse (4) befindet, werden diejenigen Strahlen gesammelt, die vor der Linse parallel zueinander waren und sich in einem bestimmten Winkel Q zur Einfallsrichtung ausbreiteten Welle. Daher wird die Beleuchtung am Punkt P auf dem Bildschirm (5) durch das Ergebnis der Interferenz von Sekundärwellen bestimmt, die sich sowohl von verschiedenen Teilen desselben Spaltes als auch von verschiedenen Spalten ausbreiten. Es gibt eine Richtung, in der sich Sekundärwellen aus allen Schlitzen ausbreiten und in einer Phase am Punkt P ankommen und sich gegenseitig verstärken, und in einer anderen – wenn die Wellen phasenverschoben sind und sich gegenseitig schwächen. So sind auf dem Bildschirm abwechselnd helle und dunkle Streifen zu beobachten. Die Bedingung für die Bildung von Maxima aus einem Beugungsgitter, also für die gegenseitige Verstärkung der Wellen bei Interferenz, ist gegeben, wenn der Gangunterschied einer ganzzahligen Anzahl von Wellen entspricht. Die Abhängigkeit der Bildung von Maxima verschiedener Wellenlängen vom Winkel Q des Beugungsgitters wird durch die Formel ausgedrückt: d*sinQ = k – 1, wobei k = 0, 1, 2.

Trifft Licht unterschiedlicher Wellenlänge auf das Gitter, so liegen die Maxima für unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Winkeln Q zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Lichts. Daher zerlegt ein Beugungsgitter polychromatisches Licht in ein Beugungsspektrum und wird als dispersives Gerät verwendet.

AUSRÜSTUNG FÜR PHOTOMETRISCHE MESSUNGEN.

Für photometrische Messungen werden zwei große Gerätegruppen eingesetzt: Photokolorimeter und Spektralphotometer. Bei Kolorimetern werden die benötigten Spektralbereiche mithilfe von Lichtfiltern isoliert, die die Bereiche des Spektrums begrenzen, in denen Messungen durchgeführt werden können. In Spektralphotometern werden Abschnitte des Spektrums mithilfe von Prismen oder Beugungsgittern isoliert, sodass Sie jede beliebige Wellenlänge in einem bestimmten Bereich einstellen können.

Die konkrete Abfolge der Vorgänge bei der Messung der optischen Dichte oder Transmission hängt von der Konstruktion des Spektralfotometers oder Kolorimeters ab.

Die Grundprinzipien bleiben jedoch dieselben. Stellen Sie zunächst die gewünschte Wellenlänge ein, indem Sie einen Filter an einem Kolorimeter auswählen oder den entsprechenden Knopf an einem Spektralfotometer drehen. Dann auf Null setzen. Stellen Sie dazu eine Küvette mit einer Standardlösung in den Lichtstrom. Durch die Änderung der Spaltbreite stellen wir sicher, dass die Messwerte des Gerätes dem in der Anleitung angegebenen Wert entsprechen. Im nächsten Schritt wird die Standardlösung durch die Testlösung ersetzt und die optische Dichte bzw. Transmission gemessen.

Moderne Spektralphotometer ermöglichen das Arbeiten mit einem stark monochromatischen Strahlungsfluss. Sie werden zur Konzentrationsanalyse und zur Untersuchung von Absorptionsspektren von Stoffen eingesetzt.

Aufbau und Funktionsprinzip des Spektralphotometers. Das Blockschaltbild des Spektralphotometers kann in Form der folgenden Hauptblöcke dargestellt werden:

Lichtquelle, Monochromator, Zellenfach, Fotozelle, Aufnahmegerät.

Der Lichtstrahl der Lichtquelle tritt durch den Eintrittsspalt in den Monochromator ein und wird durch ein Beugungsgitter oder Prisma in ein Spektrum zerlegt. Die Kontroll- und Testproben werden abwechselnd in den monochromatischen Strahlungsstrom eingebracht, der vom Austrittsspalt in den Küvettenraum gelangt. Die durch die Küvette hindurchtretende Strahlung trifft auf eine Fotozelle, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt. Das elektrische Signal wird dann verstärkt und aufgezeichnet.

Monochromatoren. Ein Monochromator ist ein optisches System, das Strahlung einer bestimmten Wellenlänge aus dem gesamten Spektrum einer Lichtquelle selektiert. Dabei handelt es sich meist um Prismen, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich brechen, oder um Beugungsgitter. Im sichtbaren Bereich werden gewöhnliche Glasprismen verwendet, im ultravioletten Bereich sind sie jedoch nicht geeignet, da Glas bereits bei λ zu absorbieren beginnt< 400 нм, поэтому призмы делают из кварца.

Als Monochromatoren werden auch Beugungsgitter verwendet, bei denen es sich um eine planparallele Platte mit aufgedruckten parallelen Linien – Rillen – handelt. Durch die Beugung an parallelen Rillen wird weißes Licht in ein kontinuierliches Spektrum zerlegt. Typischerweise wird in Monochromatoren ein Lichtstrahl mit einem bestimmten Wellenlängenbereich zunächst mithilfe eines Prismas isoliert und anschließend durch ein Gitter wieder zerlegt. Dadurch entsteht streng monochromatisches Licht. Der Hauptvorteil von Beugungsgittern besteht darin, dass ihre Auflösung erhöht werden kann, da sie direkt proportional zur Liniendichte ist. Darüber hinaus haben Beugungsgitter über den gesamten Wellenlängenbereich eine lineare Auflösung, wohingegen die Auflösung eines Prismenmonochromators mit zunehmender Wellenlänge abnimmt.

Küvetten. Die Prüfsubstanz wird in einer geeigneten Lösung gelöst und in ein optisch transparentes Messgefäß gegeben - Küvette. Typischerweise verfügt der Küvettenhalter über Zellen für vier Küvetten. Da Glas ultraviolettes Licht absorbiert, werden Quarzküvetten für Messungen im ultravioletten Bereich des Spektrums verwendet. Für Messungen im sichtbaren Bereich können Kunststoff- oder Glasküvetten verwendet werden. Bei der Arbeit mit flüchtigen oder chemisch aktiven Stoffen werden die Küvetten mit Deckeln abgedeckt.

Da die im Spektralphotometer platzierte Küvette ein integraler Bestandteil des optischen Systems wird, muss sie sehr sorgfältig gehandhabt werden. Kratzer und Schmutz an den Wänden der Küvette streuen und absorbieren das Licht stark und verfälschen die Messergebnisse. Dies ist insbesondere bei Arbeiten im ultravioletten Bereich zu beachten. Die Küvetten können mit weichen Stoffen wie Baumwolle abgewischt werden. Es wird nicht empfohlen, für diese Zwecke Filterpapier zu verwenden. Da organische Moleküle im ultravioletten Bereich absorbieren, sollten die optischen (transparenten) Wände der Küvette niemals berührt werden. Es ist besser, die Lösung in die Küvette zu gießen und diese in den Küvettenhalter zu stellen, der zuvor aus dem Gerät entfernt wurde. Küvetten sind ziemlich zerbrechlich, insbesondere Küvetten aus Quarz. Daher müssen Sie vorsichtig mit ihnen arbeiten und mechanische Beschädigungen vermeiden.

Der Inhalt der Küvette muss homogen sein – dies ist eine notwendige Voraussetzung für die Gewinnung reproduzierbarer Daten. Es ist darauf zu achten, dass die Lösung nicht trüb wird. Vor allem Luftblasen stören die Messung und erhöhen die Streuung erheblich. Sie können keine sehr kalte Lösung in die Küvette gießen, da sonst Wasserdampf aus der Luft an den Außenwänden der Küvette kondensiert und die Wände undurchsichtig werden.

Wenn die Küvetten mit Fremdverunreinigungen verunreinigt sind, sollten sie mit destilliertem Wasser und (oder) einem Lösungsmittel, in dem die Testsubstanz gelöst ist, gewaschen werden. Die Küvetten können mit milden Reinigungsmitteln gewaschen werden. Es wird nicht empfohlen, Küvetten mit konzentrierten Säuren oder Laugen oder anderen Ätzmitteln zu waschen.

Die Küvetten müssen so weit gefüllt sein, dass der Strahlungsfluss die Lösungsschicht vollständig durchdringt. Am häufigsten werden Küvetten mit einer optischen Weglänge von 1 cm verwendet, in die üblicherweise 2,5–3 ml Lösung eingefüllt werden. Solche Küvetten fassen 4–5 ml, werden aber nur bei Bedarf vollständig gefüllt. Es gibt Küvetten mit optischen Weglängen von 50, 20, 5, 2 und 1 mm.

Fotozellen. Fotozellen wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um. Das elektrische Signal wird dann verstärkt und aufgezeichnet.

Photonen, die die Oberfläche einer Fotozelle bombardieren, schlagen Elektronen aus ihr heraus, deren Anzahl proportional zur Intensität des Lichts ist. Diese Elektronen fliegen zur positiven Elektrode. Dadurch entsteht in einem geschlossenen Stromkreis ein elektrischer Strom, der durch den Spannungsabfall am in diesem Stromkreis befindlichen Widerstand erkannt wird. Die Spannung kann verstärkt werden, und nach Kompensation dieses Signals mit einem in Absorptionseinheiten kalibrierten Potentiometer wird die Absorption der Probe direkt auf dem Sensor aufgezeichnet.

Photomultiplierröhren sind in der Regel empfindlicher als einfache Fotozellen.

Dies liegt daran, dass von der lichtempfindlichen Schicht emittierte Elektronen durch Hochspannung beschleunigt werden und aufgrund von Kollisionen im Gas Sekundärelektronen entstehen, was zu einer Stromerhöhung führt.

Schlitzbreite. Die Größe des Spalts bestimmt den Wellenlängenbereich des auf die Probe einfallenden Lichts. Um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, ist es daher notwendig, mit einem Spalt zu arbeiten, der für die gegebenen Versuchsbedingungen minimal schmal ist. Wenn der Spalt richtig gewählt ist, ändern sich die Instrumentenwerte bei einer Verdoppelung seiner Größe nicht.