Фотоколори́метр — оптический прибор для измерения концентрации веществ в растворах. Действие колориметра основано на свойстве окрашенных растворов поглощать проходящий через них свет тем сильнее, чем выше в них концентрация окрашивающего вещества. В отличие от спектрофотометра, измерения ведутся в луче не монохроматического, а полихроматического узко спектрального света, формируемого светофильтром [1] . Применение различных светофильтров с узкими спектральными диапазонами пропускаемого света позволяет определять по отдельности концентрации разных компонентов одного и того же раствора. В отличие от спектрофотометров, фотоколориметры просты, недороги и при этом обеспечивают точность, достаточную для многих применений.
Колориметры разделяются на визуальные и объективные (фотоэлектрические) — фотоколориметры. В визуальных колориметрах свет, проходящий через измеряемый раствор, освещает одну часть поля зрения, в то время как на другую часть падает свет, прошедший через раствор того же вещества, концентрация которого известна. Изменяя толщину l слоя одного из сравниваемых растворов или интенсивность I светового потока, наблюдатель добивается, чтобы цветовые тона двух частей поля зрения были неотличимы на глаз, после чего по известным соотношениям между l, I и с может быть определена концентрация исследуемого раствора.
Фотоэлектрические колориметры (фотоколориметры) обеспечивают большую точность измерений, чем визуальные; в качестве приёмников излучения в них используются фотоэлементы (селеновые и вакуумные), фотоэлектронные умножители, фоторезисторы (фотосопротивления) и фотодиоды. Сила фототока приёмников определяется интенсивностью падающего на них света и, следовательно, степенью его поглощения в растворе (тем большей, чем выше концентрация). Помимо фотоэлектрического колориметра (фотоколориметра) с непосредственным отсчётом силы тока, распространены компенсационные колориметры, в которых разность сигналов, соответствующих стандартному и измеряемому растворам, сводится к нулю (компенсируется) электрическим или оптическим компенсатором (например, клином фотометрическим); отсчёт в этом случае снимается со шкалы компенсатора. Компенсация позволяет свести к минимуму влияние условий измерений (температуры, нестабильности свойств элементов колориметра) на их точность. Показания колориметра не дают сразу значений концентрации исследуемого вещества в растворе — для перехода к ним используют градуировочные графики, полученные при измерении растворов с известными концентрациями.
Измерения с помощью колориметра отличаются простотой и быстротой проведения. Точность их во многих случаях не уступает точности других, более сложных методов химического анализа. Нижние границы определяемых концентраций в зависимости от метода составляют от 10 −3 до 10 −8 моль/л.
МОНОХРОМАТОРЫ
Оптические фильтры (светофильтры) – пропускают излучение в определенном диапазоне длин волн (полихроматическое излучение – фотоколориметрия):
абсорбционные – Dl = 30-50 нм
интерференционные – Dl = 10-15 нм
Спектральная характеристика светофильтра
(полоса пропускания – интервал длин волн,
проходящих через светофильтр)
 |
 |
Разложение света диспергирующей призмой (а) и дифракционной решеткой (б)
 |
Монохроматор с диспергирующей призмой (S1 и S2 – входная и выходная щели)
Монохроматор с дифракционной решеткой на пропускание (кварц)
d – период решетки, нм; m = 0, 1, 2 . . . n
(ВИ – 600-1200 штрих/мм, УФ – 1200-3600 штрих/мм)
Отражательная дифракционная решетка (зеркальный металл)
Спектральная полоса пропускания (эффективность монохроматизации излучения)
Dl = 0,1 – 5 нм (зависит от ширины щели)
ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРЫ (ФЭК)
Фотоэлектроколориметры предназначены для измерения пропускания или оптической плотности растворов. КФК — колориметры электрические концентрационные, являются современными моделями отечественных фотоэлектроколориметров, котрые позволяют проводить измерения в видимой области спектра (400 – 750 нм) и в примыкающих к ней ультрафиолетовой (300-400 нм) и инфракрасной (750 – 1100 нм) областях. Монохроматорами являются светофильтры (КФК-2, КФК-2МП) и дифракционные решетки (КФК-3), приемниками излучения – фотоэлементы разных типов, регистрирующими устройствами – стрелочный микроамперметр (КФК-2) и цифровое ЖК табло (КФК-2МП и КФК-3).
Особенностью последних моделей таких приборов — КФК-2МП и КФК-3 является наличие микропроцессорной системы (МПС), предназначенной для обработки аналоговой информации, поступающей от колориметров. Несомненным достоинством МПС является то, что она в качестве результата измерения выдает непосредственно концентрацию вещества. При этом колориметр КФК-2МП позволяет получать значения концентрации, изменяющейся во времени, через каждые 5 с. На шестиразрядном индикаторном устройстве производится индикация типа выполняемой задачи, результатов ее решения, значений констант градуировочного графика и интервала времени. Колориметр КФК-3 снабжен, кроме того, термопечатающим устройством вывода результатов измерения на бумажную ленту.
 |
Оптическая схема фотоэлектроколориметров КФК-2 и КФК-2МП
1 – источник излучения (галогенная лампа – 315-980 нм); 2 – конденсор; 3- входная щель;
4, 5 – линзы объектива; 6 – светофильтр (20-45 нм); 7 – кювета; 8 – защитное стекло; 9 – фотодиод (590-980 нм); 10 – делитель светового потока; 11 – фотоэлемент (315-540 нм)
 |
Оптическая схема фотоэлектроколориметров КФК-3
1 – источник излучения (галогенная лампа – 315-980 нм); 2 – конденсор; 3- входная щель;
4, 5 – линзы объектива; 6 – дифракционная решетка (≤ 7 нм); 7 – кювета; 8 – защитное стекло; 9 – фотодиод (315-980 нм)
Спектрофотометры – позволяют регистрировать световые потоки в широком интервале изменения длин волн от 185 до 1100 нм, то есть в УФ, видимой и ближней ИК области света и обеспечивают высокую степень монохроматичности света (0,2-5 нм), проходящего через анализируемую среду.
В спектрофотометрах монохроматизация света осуществляется за счет использования диспергирующих призм или дифракционных решеток, разлагающих излучение в спектр. Разработаны различные конструкции спектрофотометров, работающих как по однолучевой (СФ-26, СФ-46, СФ-56, Shimadzu 1240), так и по двухлучевой (Specord M-40) схеме.
В качестве источника излучения в спектрофотометрах используют лампы дающие сплошной световой поток – лампы накаливания (340-1100 нм) при работе в видимой области спектра и дейтериевые газоразрядные лампы (185-350 нм) – при работе в УФ диапазоне.
При работе в видимой области (400-750 нм) используют стеклянную оптику (призмы, решетки, линзы, кюветы), при работе в УФ диапазоне (200-400 нм) – кварцевую, так как стекло поглощает УФ излучение.
При использовании фотометров, работающих по однолучевой схеме, в световой поток в кюветном отделении попеременно вносят кювету с раствором сравнения (образец сравнения ОС) и кювету с анализируемым раствором (тсследуемый образец ИО). В кюветное отделение фотометров, работающих по двухлучевой схеме, устанавливают одновременно две кюветы – кювету с образцом сравнения в канал сравнения, а кювету с анализируемым (исследуемым) раствором в измерительный канал. Обе кюветы – сравнения и рабочая – должны быть совершенно одинаковыми, с равной толщиной поглощающего слоя и, заполненные чистым растворителем, должны иметь одинаковую оптическую плотность при одной и той же длине волны.
Приёмниками излучения в спектрофотометрах служат фотоэлементы (ФЭ) – сурьмяно-цезиевый (185-650 нм) и кислородно-цезиевый (600-1100 нм), а также фотоумножители (ФУ). Регистрирующими устройствами являются – стрелочный микроамперметр (СФ-26), ЖК цифровое табло (СФ-46), самописец (Specord M-40), ЖК дисплей с принтером (Shimadzu 1240), монитор ПК с принтером (СФ-56).
Блок-схема однолучевого фотометра (КФК-2, КФК-2МП, КФК-3, СФ-26, СФ-46, СФ-56, Shimadzu 1240
1 – источник излучения; 2- монохроматор; 3- кюветное отделение; 4- приемник излучения;
5 – усилитель электрического сигнала; 6 – регистрирующее устройство (ОС – образец сравнения; ИО – измеряемый образец)
Блок-схема двухлучевого фотометра (Specord M-40)
1 – источник излучения; 2- монохроматор; 3- кюветное отделение; 4- приемник излучения;
5 – усилитель электрического сигнала; 6 – регистрирующее устройство (ОС – образец сравнения; ИО – измеряемый образец)
 |
 |
Кюветы кварцевые для спектрофотометров (l = 1 см)
В основе колориметрического метода лежит закон Ламберта – Меера — Бера (1852), согласно которому существует прямая пропорциональная зависимость между концентрацией вещества в окрашенном растворе и степенью поглощения лучей света данным раствором. Интенсивность поглощения света зависит не только от количества и природы растворенного вещества, но и от толщины слоя раствора, длины волны падающего света, температуры раствора.
Степень поглощения света окрашенным раствором выражается оптической плотностью (экстинцией), под которой понимают отношение интенсивности света, падающего на раствор, к интенсивности света, прошедшего через раствор. Величина оптической плотности обозначается буквой Е или D. Чем больше оптическая плотность, тем меньше света пропускает раствор, то есть между оптической плотностью и светопропусканием существует обратная пропорциональная зависимость (Е=lg 1/r, где r — коэффициент светопропускания). Для определения плотности или светопропускания используют фотоэлектроколориметры.
Устройство колориметра фотоэлектроколориметра ( ФЭК-2 )
Фотоэлектроколориметр предназначен для определения концентрации вещества в окрашенных растворах по их оптической плотности или коэффициенту светопропускания.
Схема прибора
В качестве источника света в КФК-2 используется лампа накаливания (1). Световой поток от лампы накаливания проходит через диафрагму (2), объектив (3), усиливающий свет в 10 раз, и светофильтр (4).
В КФК-2 имеется набор светофильтров. Использование конкретного цветового светофильтра позволяет пропускать через раствор лучи определенной длины волны, поглощение которых характерно для исследуемого вещества. Обычно эффективная длина волны и цвет светофильтра указывают в используемом методе. Приведенная ниже таблица позволяет ориентировочно выбрать светофильтр для измерения оптической плотности некоторых окрашенных растворов:
| Окраска исследуемого раствора | Цвет необходимого светофильтра | Длина волны пропускаемого света в нм |
| Желтая | Синий | 420-450 |
| Оранжевая | Синий | 430-460 |
| Красная | Зеленый | 460-500 |
| Пурпурная | Зеленый | 490-530 |
| Синяя | Оранжевый | |
| Сине-зеленая | Красный | 600-650 |
Световой поток, пройдя через светофильтр и кювету с раствором (5), падает на приемник света (6, 7) — фотоэлемент Ф-26 (в области спектра 315-540 нм) или фотодиод (в области спектра 590-980 нм). В фотоприемниках световая энергия преобразуется в электрическую, изменение количества которой отражает микроамперметр (9). Показания микроамперметра пропорциональны силе светового потока, прошедшего через исследуемый раствор.
К фотоэлектроколориметру КФК-2 прилагается набор кювет, отличающихся расстоянием между рабочими гранями, через которые проходит световой поток. Это расстояние (в мм) указывается на одной из рабочих граней. В наборе по три кюветы с рабочей длиной 5, 10, 20, 30 и 50 мм. На боковой стенке кюветы имеется риска, до которой наливают раствор. При работе с летучими растворителями кюветы закрывают специальными крышками.
Общий вид прибора
1. Микроамперметр (измерительный прибор имеет две шкалы: нижняя (D) — шкала оптической плотности (от 0 до 1,5), верхняя — регистрирует коэффициент светопропускания (от 0 до 100%).
2. Крышка кюветного отделения, которую при открывании и закрывании держат за специальные ручки (2а).
3. Рукоятка установки нужного светофильтра.
4. Рукоятка перемещения кювет, установленных в кювето- держатель в кюветном отделении.
5. Рукоятка включения фотоприемников (чувствительность). Возможны три положения этой рукоятки: 1, 2, 3 (чувствительность от меньшей к большей). Рукоятка устанавливается на цифры черного цвета в интервалах длин волн 315-540 нм или красного цвета при длине волн 590-980 нм.
6. Рукоятка “Установка грубо”.
7. Рукоятка “Установка точно”.
8. Включатель и выключатель сетевого напряжения находится на задней стенке прибора (внизу, слева).
9. Индикаторная лампочка.
Измерение оптической плотности на КФК-2
1. С помощью рукоятки 3 установить нужный светофильтр (по длине волны).
2. Рукояткой 5 установить чувствительность в положение 1 черного или красного цвета в зависимости от длины волны.
3. Рукоятки 6 и 7 (“установки грубо, точно”) повернуть до упора влево. При таком положении рукояток чувствительность минимальна, что предохраняет микроамперметр от перегрузки.
4. Включить прибор в сеть: вилку шнура вставить в розетку электросети, рукоятку 8 — в положение “включено”. Загорается сигнальная лампочка (9). Прибор прогревать 15-20 минут с открытой крышкой кюветного отделения.
5. Поставить кювету с растворителем (или контролем) во второе (дальнее от передней стенки) гнездо кюветодержателя, а кювету с исследуемым раствором — в первое (ближнее) гнездо. Закрыть крышку кюветного отделения.
6. Кювету с растворителем (контролем) поместить в световой поток, повернув рукоятку 4 до упора влево.
7. Установить стрелку микроамперметра на нуль по шкале оптической плотности рукояткой 6 (“установка грубо”). В случае необходимости подвести стрелку к нулю рукояткой 7 (“установка точно”).
8. Переместить в световой поток кювету с исследуемым раствором, повернув рукоятку 4 до упора вправо и записать значение оптической плотности по нижней шкале микроамперметра.
9. Сразу повернуть рукоятки 6 и 7 до упора влево.
10. По окончании работы убрать кюветы и навести порядок в кюветном отделении и у фотоэлектроколориметра, отключить прибор от электросети и вымыть кюветы.
Дата добавления: 2016-11-02 ; просмотров: 3705 | Нарушение авторских прав