Приборные устройства, позволяющие исключить влияние светорассеивания в объекте на величину измеряемой оптической плотности

Существует 3 варианта устройств, которые позволяют исключить влияние светорассеивания в образце на величину D_изм.

Самый простой – специальное кюветное отделение для мутных образцов, при установке в которое объект оказывается максимально приближен к фотодетектору. Диаметр выходной апертуры этого кюветного отделения (отверстия, через которое свет выходит из кюветного отделения и попадает на фотодетектор) и площадь фотокатода (собственно регистрирующей свет части) применяемого фотодетектора максимально увеличиваются (рис. 10). В результате большая часть рассеянных квантов попадает на фотодетектор и регистрируется. Не регистрируются лишь те фотоны, которые были рассеяны вбок или назад (в сторону источника света), но их количество обычно невелико. Величина D_изм оказывается приближенной к истинному значению D данного объекта.

		J0
			ГА

Рисунок 10. Схема расположения кюветы с образцом в специальном кюветном отделении для мутных объектов. В этом кюветном отделении кювета с образцом максимально приближена к фотодетектору (ФД), который снабжен фотокатодом большой площади. ГА – границы выходной апертуры кюветного отделения. Основная часть рассеянного в образце света попадает на фотодетектор и регистрируется, вследствие чего, несмотря на наличие светорассеивания в образце, D_изм® D. Остальные обозначения те же, что и на рис. 9.

Следующее приборное устройство, позволяющее правильно измерить величину оптической плотности мутных объектов – так называемая светорассеивающая пластинка. Она представляет собой тонкую сильно рассеивающую свет пластинку с собственной мутностью, много большей, чем допустимая мутность (т.е. величина светорассеивания) в образце. Хромофоров светорассеивающая пластинка содержать не должна. Располагается это устройство вплотную за объектом. Лучше всего, если размер пластинки несколько больше размеров кюветы с образцом (рис. 11).

Рисунок 11. Схема расположения кюветы с образцом и светорассеивающей пластины (СРП) в кюветном отделении спектрофотометра. Светорассеивающая пластина представляет из себя тонкую пластинку с высокой мутностью (сильным собственным светорассеиванием), устанавливаемую в тестирующем пучке излучения вплотную за кюветой с объектом. Материал пластины не должен содержать хромофоров с поглощением в области регистрации спектров. Размеры пластины должны быть несколько больше размеров кюветы с образцом. Другие обозначения те же, что и на рис. 10. Механизм устранения влияния светорассеивания на величину D_изм при установке светорассеивающей пластины см. в тексте.

При установке светорассеивающей пластинки весь свет, выходящий из кюветы с образцом, за исключением квантов, рассеянных назад и вбок, вне зависимости от того, под каким углом к направлению освещения он выходит, попадает в эту пластинку. За счет многократного перерассеивания в материале пластинки попавшие в нее кванты примерно равномерно распределяются по ее поверхности, поэтому поток излучения с единицы площади обратной по отношению к объекту стороны пластинки оказывается одинаковым во всех ее частях. С части площади обратной стороны светорассеивающей пластинки кванты попадают на фотодетектор и регистрируются. Введем следующие обозначения:

• S_пл – общая площадь светорассеивающей пластинки;
• S_изм – часть общей площади пластинки, с которой кванты излучения попадают на фотодетектор и регистрируются;
• J₀ – поток падающего на образец тестирующего излучения;
• J – суммарный поток выходящего из образца излучения.

Регистрируемый в присутствии светорассеивающей пластинки световой сигнал (J’), выходящий из образца, будет составлять:

В тех же условиях измерим световой поток через образец сравнения. Его величина (J₀’) будет составлять:

Измеряемая величина оптической плотности объекта в этом случае будет равна:

(29)

Поскольку используемая светорассеивающая пластинка только одна, отношение S_изм/S_пл будет одинаково и при измерении светового потока через объект, и при измерении светового потока через образец сравнения. Поэтому эти величины в выражении (29) можно сократить. В результате останется только искомая величина оптической плотности:

(30)

Нужно заметить, что, поскольку S_изм/S_пл всегда меньше единицы, установка светорассеивающей пластины несколько снижает чувствительность спектрофотометра. Однако это в полной мере компенсируется появлением возможности правильно измерять величину оптической плотности светорассеивающих образцов.

Выше уже указывалось, что светорассеивающая пластина не позволяет учитывать при определении оптической плотности светорассеивающего образца кванты излучения, рассеянные назад (по направлению к источнику света) и вбок (под углом 90⁰ к направлению освещения). Хотя таких квантов немного, некоторая ошибка при регистрации оптической плотности образца все-таки возникает. Этого недостатка в значительной мере лишена самая эффективная в плане устранения влияния рассеивания света в объекте на измеряемую оптическую плотность приборная приставка– интегрирующая сфера (ранее это устройство обозначалось также как интегрирующая сфера Ульбрихта). Интегрирующая сфера (ИС) представляет собой полую светонепроницаемую сферу, внутренняя поверхность которой покрыта диффузно отражающим свет материалом. Обычно для покрытия внутренней поверхности ИС применяются гидроокиси магния или цинка. Напомним, что диффузным отражением называется такое отражение излучения, при котором невозможно строго определить направление отражённого пучка света. Схема установки ИС в оптической схеме спектрофотометра приведена на рис. 12.

Рисунок 12. Схема расположения кюветы с образцом в интегрирующей сфере (ИС), дополняющей кюветное отделение спектрофотометра. ИС представляет из себя полую сферу, внутренняя поверхность которой покрыта диффузно отражающим свет материалом. Кювета с образцом устанавливается непосредственно внутрь сферы. Прямо проходящий через объект (нерассеянный) свет не должен при этом попадать на фотодетектор (ФД) без вторичного переизлучения стенками ИС.

Другие обозначения те же, что и на рис. 11. Механизм устранения влияния светорассеивания на величину D_изм при установке ИС описан в тексте.

При наличии ИС кювета с исследуемым образцом устанавливается внутрь сферы таким образом, чтобы прошедший через нее без рассеивания свет прямо на фотодетектор (ФД) не попадал. Все вышедшие из образца кванты излучения, включая значительную часть тех, которые были рассеяны вбок и назад, будут многократно переизлучены стенками ИС и равномерно распределены по её внутренней поверхности. Часть из них через выходное отверстие (выходную апертуру) ИС попадают на ФД прибора и регистрируются. Как и в случае светорассеивающей пластинки можно ввести следующие обозначения:

• S_сф – общая площадь внутренней поверхности ИС;
• S_изм – площадь выходной апертуры ИС, через которую кванты излучения попадают на фотодетектор и регистрируются;
• J₀ – поток падающего на образец тестирующего излучения;
• J – суммарный поток выходящего из образца излучения.

Регистрируемый в присутствии ИС световой сигнал (J’) от образца, будет составлять:

В тех же условиях измерим световой сигнал от образца сравнения. Его величина (J₀’) будет составлять:

Измеряемая величина оптической плотности объекта в этом случае будет равна:

(31)

Поскольку установленная ИС - одна, для опытного и для контрольного образцов отношение S_изм/S_сф будет одинаково. Поэтому это отношение в правой части выражения (31) может быть сокращено. В результате останется только искомая величина оптической плотности:

(32)

Нужно заметить, что, поскольку S_изм/S_сф еще меньше единицы, чем в случаях, когда используется светорассеивающая пластинка, наличие ИС сильнее снижает чувствительность спектрофотометра, чем установка светорассеивающей пластинки. Однако возможность правильно и точно измерять величину оптической плотности светорассеивающих образцов вполне компенсирует этот недостаток.

Дата добавления: 2015-07-25