Создаем профессиональный спектрофотометр своими руками за один вечер, бюджет мероприятия 1000 рублей. (A simple DIY spectrophotometer for 10 $)
SBER: 5469060019644464
В первой части я проанализировал различные конструкции самодельных спектрофотометров и рассказал о собственной конструкции на базе фотоаппарата , "Создаем спектрофотометр своими руками, часть №1". В этой части будут эксперименты с анализом спектров различных ламп и анализ спектра поглощения раствора моно-салицилата железа, а также построение кривой зависимости оптической плотности от концентрации.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Первым делом когда DIY спектрофотометр был готов я начал изучать спектры различных ламп: Обычная, первая попавшаяся LED лампа СТАРТ ECO LEDGLSE2727 15W , фитолампа LED-P65-24W SPSB/E27/FR/P3 PLP32WH (рисунок 9), ну и самое интересное это ртутная лампа УФ спектра ДРТ-125, которая стоит в кварцевом бактерицидном облучателе ОУФК-01. Оси координат даны в пикселах.
Рисунок 9 - Спектр фитолампы LED-P65-24W
Рисунок 10 - Спектр лампы ДРТ-125 от бактерицидного облучателя ОУФК-01
УФ лампа сама по себе имеет очень интересный линейчатый спектр с очень узкими пиками и поэтому хорошо подходит для калибровки прибора, для чего и была использована. К сожалению, стеклянная оптика фотоаппарата напрочь отрезает УФ часть и можно наблюдать только 4-ре полосы в видимом диапазоне, но для калибровки этого вполне достаточно. Я не стал использовать готовое ПО для анализа фотоснимков, а написал пару собственных простеньких скриптов на языке MATLAB для калибровки и отрисовки спектра. Вот, что получилось
Рисунок 11 - Спектры различных ламп, синий цвет - УФ лампа ДРТ-125, зеленый - фитолампа LED-P65-24W, красный - LED лампа СТАРТ ECO LEDGLSE2727 15W
Для сравнения, на просторах сети можно найти спектр лампы ДРТ-125
Рисунок 12 - Спектр УФ лампы ДРТ-125
Как можно заметить стеклянная оптика фотоаппарата отрезала УФ часть излучения лампы, а ИК фильтр ИК часть спектра.
Поиграв со спектрами ламп и откалибровав прибор, я решил провести эксперимент по измерению оптической плотности растворов. Традиционно методика измерения плотности заключается в пропускании света через раствор в кювете и оценке ослабления интенсивности света по отношению к кювете с дистиллированной водой. Оптическая плотность определяется следующим образом:
Если измерения проводятся в видимом диапазоне, то для фотометрии в качестве кюветы подойдет любой чистый стеклянный пузырек или пробирка. Однако я решил, что лучше будет купить недорогие БУ профессиональные кюветы поискав их на сайтах объявлений.
Плюсом таких кювет является известная их толщина, которая измеряется с высокой точностью и наносится на саму кювету, второй плюс - такие кюветы имеют прямоугольную форму и их удобно фиксировать. К своей безграничной радости я нашел БУ кюветы от фотометра КФК-03 за бесплатно на одном из сайтов объявлений. Человек их просто отдавал в хорошие руки за ненадобностью. Они были некомплектны и в основном небольшой толщины, но для моих целей и бесплатно это было то, что нужно. С кюветами та же история, что и с самой конструкцией в целом, главное - это надежная фиксация в одном и том же положении. Делая первые измерения без точного повторения положения кюветы для разных концентраций я получил достаточно грубые и разочаровывающие результаты, однако, как только я зафиксировал кювету с помощью специальной выемки результаты стали отличными.
В качестве исследуемого раствора я решил взять комплекс салицилата железа, который имеет ярко фиолетовый цвет при малых концентрациях.
Для получения насыщенного цвета достаточно смешать крупинку массой 0,02 г хлорного железа (FeCl3x6H20) c 0.5 граммами 2% салициловой кислотой из аптеки и развести в 10 мл дистиллированной воды.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Последовательно разбавляя исходный раствор в два раза, я получил четыре раствора следующих концентраций:
Добавив в обработку данных вычисление оптической плотности, я получил спектр поглощения монсалицилатного комплекса железа:
Как можно заметить раствор хорошо пропускает сине-фиолетовую и красную области спектра, чем и обусловлен его цвет. Для сравнения спектр поглощения из книги Бабко А. К, "Колориметрический анализ".
В целом результаты получены идентичные, за исключением артефактов в виде пиков, причину которых я не исследовал, но думаю они устранимы. Возможно, они вызваны не совсем верной интерпретацией данных цветной матрицы, плюс в качестве источника света лучше было бы использовать лампу накаливания, но такой под рукой не оказалось)) и вместо этого применялась LED лампа.
А теперь построим зависимость оптической плотности от концентрации на длине волны 510 нм. Вот что получилось
Как можно видеть, мы получили линейную зависимость оптической плотности и концентрации. Через данную зависимость легко может быть вычислена концентрация раствора.
Заключение
В целом можно сказать, что эксперимент оказался положительным, примерно за 1000 рублей я получил прибор, с которым можно исследовать спектры излучения различных источников света и спектры поглощения растворов, а также можно измерять концентрации растворов. Причем даже купив подержанный профессиональный прибор я бы не получил такого функционала и возможности развивать и расширять его. Разумеется, получившееся устройство имеет ряд недостатков, главное из которых отсутствие УФ и ИК, но в целом недостатки устранимы в следующих версиях. Вообще поэкспериментировав с DIY спектрофотометром, я понял, что фотоаппарат не нужен и избыточен. Нужна недорогая чёрно-белая камера с программной фокусировкой. Цветная матрица хороша только для визуализации, а на практике в ней нет необходимости.
Конечно кто-то скажет, что я не посчитал стоимость фотоаппарата, в какой-то степени это верно, но я исходил из того, что в приборе должен использоваться имеющийся в наличии оптический сенсор фотоаппарат, веб-камера, телефон, а все эти устройства как правило уже имеются в хозяйстве).
Разумеется я потратил не один воскресный вечер на изготовление и эксперименты). Однако возможно вы решите повторить мой опыт и возможно тогда вам удастся это сделать.
Надеюсь, что это не последняя версия этого прибора т.к. после его эксплуатации я понял, что его можно существенно улучшить, первым делом необходимо расширить спектральный диапазон в ИК и УФ области, заменить фотоаппарат на чёрно-белую камеру, возможно имеет смысл добавить коллимирующее зеркало. В целом пока были проведены простейшие эксперименты, но было бы интересно определить содержание каких-либо органических веществ в крови человека или растениях в домашних условиях с помощью подобного DIY устройства. Возможно у вас есть замечательная идея на этот счет, пишите в комментариях.
Если вам понравился проект, то можете поддержать его развитие:
SBER: 5469060019644464
#DIY спектрометр #фотометр #спектрофотометр #своими руками #спектрофотометр своими руками #DIY спектрофотометр