Прилади абсорбційної спектроскопії

Кожний абсорбційний спектральний прилад містить наступні необхідні частини: джерело випромінювання, оптичні засоби, приймач потоку випромі­нювання (детектор):

Рис. 10. Принципова схема молекулярно-абсорбційного приладу.

1. Джерело випромінювання безперервного, суцільного спектра в необхідному діапазоні довжин хвиль.

Як джерело випромінювання для видимої області найчастіше використовують лам­пи розжарювання з вольфрамовою ниткою (W, T = 3000К), які дають світловий потік із суцільним спектром випромінювання в широкому діапазоні (350 - 1000 нм). В окремих випадках джерелом випромінювання може бути ртутно-кварцева лампа (лінійчатий спектр в діапазоні 315-630 нм).

Для ультрафіолетової області – газорозрядні лампи Н₂ (су­цільний спектр у діапазоні 220 - 350 нм), D₂, Hg високого тиску. З ними можна працювати в діапазоні від 185 до 375 нм, причому дейтерева лампа в три рази переважає водневу за потужністю.

Для інфрачервоної – глобар – стержень із спеченого карбіду кремнію, який нагрівають до температури 1300-1700 ºС, і штифт Нернста – стержень із суміші оксидів рідкоземельних елементів.

2. Монохроматор – призначений для виділення з суцільного спектру джерела випромінювання вузького інтервалу довжин хвиль. Він складається з лінз чи дзеркал для фокусування випромінювання, вихідної і вхідної щілини для обмеження небажаного випромінювання і контролю за спектральною чистотою випромінювання, яке випускається монохроматором, і диспергуючого елемента для розкладання в спектр поліхроматичного випромінювання джерела. Диспергуючим елементом може бути призма або дифракційна решітка. Використовують також різні оптичні фільтри для виділення випромінювання з певною довжиною хвилі.

Для ультрафіолетової області використовують кварцеві призми, світлофільтри. Для видимої – скляні призми, світлофільтри. Для інфрачервоної – призми з LiF, NaСl, KBr, CaF₂.

У всіх областях використовуються дифракційні решітки – ретельно відполірована пластинка (наприклад, із алюмінію), на яку нанесено багато паралельних штрихів (заглибин) – 15000-30000 на дюйм. Штрихи служать для розсіювання променів, які падають на решітку. Роздільна здатність решітки залежить від кількості штрихів, вона більша, ніж у призм, тому у більшості сучасних приладів решітки їх замінили.

В загальному прилади для вимірювання абсорбції випромінювання нази­вають фотометрами.

У фотоколориметрії використовують поліхроматичний світловий потік. Прилади фотоелектроколориметри дають можливість за допомогою світлофільтрів виділяти з видимого спектра невелику ділянку в інтервалі довжин хвиль 20–100 нм; для них визначено , тобто довжину хвилі, яка максимально поглинається.

Світлофільтри бувають різних типів: вузькосмугові фільтри, фільтри з крутим зрізом і інтерференційні фільтри. Фільтри перших двох типів роблять зі скла, які містять барвники, що поглинають все небажане випромінювання. Інтерференційні фільтри складаються з двох шарів скла, внутрішні поверхні яких покриті тонкою напівпрозорою металічною пдівкою, і проміжного шару прозорого матеріалу типу кварцу або флюориту. Випромінювання, яке падає а світлофільтр, піддається інтерференції, в результаті чого через фільтр проходить тільки випромінювання з дуже вузьким інтервалом довжин хвиль.

Світлофільтри застосовують для збільшення чутливості і точності визначень, оскільки використовується поглинання лише тих довжин хвиль, які максимально поглинаються забарвленою сполукою. Прилади, у яких використані світлофільтри - фотоелектроколориметри, - призначені тільки для кількісного аналізу.

Для виділення монохроматичного світла з певною довжиною хвиль користуються приладами спектрофотометрами, в яких монохроматорами служать диспергуючі призми або дифракційні гратки. Вико­ристання спектрофотометрів забезпечує високу монохроматизацію потоку випромінювання, що значно підвищує чутливість та селективність спектрофотометрич­ного методу порівняно із фотоколориметричним.

Спектрофотометри використовуються як для кількісного, так і для якісного аналізу, бо дають змогу одержувати спектри абсорбції, тобто залежність Т або А від N або v´.

3. Пристрій для розміщення досліджуваного зразка – кювета.

Кювета для зразка (зазвичай розчину), природно, має бути прозора в досліджуваному діапазоні довжин хвиль. Для виготовлення кювет використовують ті ж матеріали, що і для оптичних деталей: в приладах для фотометрії, які працюють у видимій області спектра – скло і кварц, для роботи в ультрафіолетовому діапазоні використовують кварцове скло чи кварц, а для роботи в ІЧ-діапазоні – кювети з віконечками із кристалів солей, наприклад, NaCl, LiF, KBr.

Тверді прозорі зразки (з невеликим значенням e) використовуються безпосередньо у вигляді плоскопаралельних пластинок, розташованих перпендикулярно променю падаючого світла.

Якщо зразки малопрозорі (для великих значень e) їх подрібнюють і змішують з матеріалом, прозорим в даній області спектра. Наприклад, в інфрачервоній області 1-2 мг зразка змішують з 100 мг KBr, пресують в прозору таблетку або змішують з рідиною (наприклад, вазеліновою оливою, гексахлорбутадієном) і цю суспензію розміщують між двома паралельними пластинками з прозорого матеріалу. Гази також можна досліджувати у фотометрії, зокрема, в ІЧ-області. Для цього зазвичай використовують довгі кювети (до 10 см), в спеціальних дослідженнях – довжиною до 20 м.

4. Детектор – пристрій, який перетворює енергію випромінювання в сигнал зручний для реєстрування, найчастіше електричну енергію. Перетворення світлової енергії в електричну у детекторі зв’язане з явищем фотоефекту – відривом електронів від атомів різних речовин під впливом світлової енергії (А. Ейнштейн отримав Нобелівську премію у 1905 році за відкриття цього явища).

Вибір детектора визначається довжиною хвилі випромінювання, що реєструється. У УФ- і видимому діапазоні зазвичай використовують фотоелементи. Фотоелемент складається із випромінюючого катоду і аноду. Між ними подається висока напруга. Коли фотон попадає у віконце елемента і досягає катоду, то той випускає електрон, який притягується до аноду. В результаті виникає електричний струм, який можна підсилити і виміряти. Відгук матеріалу катоду залежить від довжини хвилі, тому для різних ділянок спектру необхідні різні фотоелементи. В недорогих спектральних приладах часто використовують дешеві кремнієві діоди (діапазон реєстрованого випромінювання 350-110 нм), які складаються з кремнієвого кристалу, допірованого (модифікованого) певним елементом; попадання фотона на діод також викликає електричний струм, який далі посилюється.

ІЧ-випромінювання – це теплове випромінювання, тому в інфрачервоному діапазоні використовують детектори, які перетворюють тепло в електричний сигнал – термопари (термоелементи) і болометри.

5. Реєстратори – пристрої для реєстрації відгуку детектора, фіксують сигнал детектора на стрілкових або цифрових [PS2] вимірювальних приладах. У видимій області можлива візуальна індикація, коли людське око грає роль і детектора, і реєстратора.

Фотометри можуть бути однопроменеві і двопро­меневі.

Однопроменеві прилади найчастіше використовуються в навчальних лабораторіях, так як вони відносно недорогі і в той же час дозволяють отримати дуже хороші результати. В цьому типі приладів випромінювання від джерела проходить тільки через кювету порівняння чи кювету з досліджуваним зразком почергово. Всі сучасні ІЧ-спектрофотометри є однопроменевими.

Двопроменеві прилади складніші в роботі, але мають ряд переваг, зокрема забезпечують більш високу стабільність вимірів, автоматично компенсують дрейф інтенсивності джерела випромінювання, зручніші для якісного аналізу, коли потрібно отримати весь спектр випромінювання. В основному двопроменеві фотометри використовуються як записуючі пристрої, тобто автоматично змінюється довжина хвилі, а оптична густина як її функція автоматично реєструється. В таких приладах один промінь проходить через кювету із зразком, а інший – через кювету із розчином порівняння. В результаті детектор вловлює випромінювання від зразку і розчину порівняння, а вихідний сигнал детектора пропорційний відношенню їх інтенсивностей.

Приступаючи до роботи з фо­тометром або спектрофотометром, потрібно уважно вивчити прави­ла роботи та інструкцію.