Niniejszy opis przedstawia propozycję budowy całkiem prostego, ale funkcjonalnego spektrofotometru z łatwo dostępnych części. Rzecz jasna, urządzenie nie może być porównane z komercyjnymi spektrofotometrami, ale pozwoli użytkownikowi na poznanie budowy i działania tego typu urządzeń.
Spektrofotometr jest urządzeniem mierzącym, jaka ilość światła absorbowana jest przez próbkę. Zasada działania jest następująca: wiązka światła przechodzi przez pryzmat bądź siatkę dyfrakcyjną. Odpowiednia długość fali bądź zakres fal wybierany jest przez przepuszczanie rozproszonego światła przez szczelinę. Następnie światło przechodzi przez próbkę w kuwecie i pada na detektor. Dzięki temu można zarejestrować „spektrometryczny odcisk palca” badanej próbki, zależny od substancji zawartych w badanej próbce.
Autor podkreśla ponownie, że urządzenie nie może być w żaden sposób porównywane z komercyjnie produkowanymi spektrofotometrami, ale jest doskonałą okazją do przekonania się „na własne oczy”, jak działają takie urządzenia.
Do budowy spektrofotometru potrzebne będą m.in.: silnik krokowy ze sterownikiem (np. Arduino), garść rezystorów, układ L293D (mostek H), tranzystory, wzmacniacz operacyjny (np. TL081), fotorezystor, biała dioda LED i/lub żarówka, kuweta spektrofotometryczna oraz siatka dyfrakcyjna (lub kawałek płyty CD/DVD).
Na początek należy przygotować źródło światła: małą żarówkę lub białą diodę LED. Autor w swoim urządzeniu zamontował obydwa źródła światła, aby sprawdzić, które będzie lepiej się sprawdzało. Żarówka powinna być umieszczona w odpowiedniej oprawce, zamocowanej prostopadle do podłoża. Dioda LED może być zamontowana w złączu ARK, powinna być wyposażona w rezystor ograniczający prąd (2,2 kΩ).
Aby można było wybrać dokładną długość fali (kolor światła zależy wprost od długości fali), potrzebne jest najpierw rozszczepienie światła białego na widmo. Można tego dokonać najlepiej za pomocą siatki dyfrakcyjnej, ale jako że jest to element trudno dostępny, można wykorzystać fragment płyty CD. Rzecz jasna, ta ostatnia nie rozszczepi światła tak dobrze, jak prawdziwa siatka dyfrakcyjna.
Wybór właściwej długości fali następuje na skierowanie widma na bardzo wąską szczelinę, wykonaną np. w arkuszu kartonu bądź blachy. Fala będzie wybierana poprzez obrót płyty CD zamontowanej na silniku krokowym względem źródła światła.
Silnik krokowy może być sterowany np. za pomocą Arduino. Autor załączył przykładowy wsad dla procesora, dostępny jest on na stronie projektu.
Szczelina, jak wspomniano powyżej, powinna być bardzo wąska – jest to trudne w warunkach domowych, więc w urządzeniu autora znajdują się dwie, szersze szczeliny, przesunięte względem siebie, co umożliwia wybranie bardzo wąskiego zakresu spektrum światła.
Do detekcji światła przechodzącego wykorzystany został fotorezystor. Teoretycznie można by mierzyć same zmiany oporu za pomocą omomierza, ale „zgrabniej” jest wykorzystać prosty wzmacniacz i woltomierz, pozwoli to rejestrować mniejsze zmiany w natężeniu światła padającego na fotorezystor. W urządzeniu pracuje układ oparty o kostkę TL081 – schemat znajduje się poniżej.
Gotowa konstrukcja znajduje się na tytułowej fotografii.
Sam pomiar należy przeprowadzać następująco: ponieważ fotorezystor nie jest selektywny i reaguje na każde padające na niego światło, pomiar należy prowadzić w ciemnym pomieszczeniu lub umieścić urządzenie w pudełku. Także ponieważ odpowiedź fotorezystora zależy od długości fali świetlnej padającej na niego, należy przeprowadzić pomiar ślepy. W tym celu należy wypełnić kuwetę wodą destylowaną (albo innym rozpuszczalnikiem stosowanym do roztworzenia próbki) i zanotować wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza dla wybranej do badania długości fali bądź fal. Po zakończeniu tego procesu, kuwetę należy wypełnić badanym roztworem i dokonać analogicznych pomiarów, zważając, aby użyć tej samej długości fali bądź fal.
Następnie, posługując się prawem Lamberta-Beera należy wyliczyć wartości absorbancji: $$A = log \frac{I_0}{I}$$
gdzie I0 to intensywność światła padającego na próbkę (ze ślepej próby), a I – intensywność światła przechodzącego przez próbkę.
Na poniższych obrazkach można zobaczyć widma, jakie autor zarejestrował np. dla próbek żywności i dla roztworu błękitu metylenowego. Niestety, w zaproponowanym rozwiązaniu nie można dokładnie stwierdzić, przy jakiej konkretnej długości fali prowadzony jest pomiar.
Więcej szczegółów można znaleźć na stronie źródłowej.
Fajne! Ranking DIY
i nie mogę się powstrzymać. Spektrofotometry dzielą się na absorpcyjne i emisyjne ten tutaj to jednowiązkowy absorpcyjny mierzący absorpcję danej długości fali przez próbkę. W połączeniu z prawem Lamberta-Beera można wyznaczyć stężenie czynnika absorbującego.