Как выбрать кварцевые кюветы для спектрофотометра: марка стекла, длина пути, пара

Содержание

По ГОСТ 20903-75 кварцевые кюветы для спектрофотометра с путём 10 мм делают с допуском ±0,03 мм: ошибка пути входит в оптическую плотность так же, как ошибка концентрации. Семь критериев выбора ниже идут в том порядке, в котором лаборант или снабженец составляет заявку.

Как выбрать кварцевые кюветы для спектрофотометра: короткий ответ

Кварцевые кюветы для спектрофотометра выбирают по семи параметрам: диапазон длин волн, марка стекла окон, растворитель, длина оптического пути, исполнение, согласованная пара, прибор и мойка. Ниже 330 нм нужен кварц, потому что оптическое стекло К8 пропускает половину излучения только с 325 нм. Для 186-220 нм окна делают из кварцевого стекла КУ-1, его же требует ГОСТ 20903-75. По ГОСТ 15130-86 КУ-1 в слое 1 см без учёта потерь на отражение пропускает 96 % излучения на 200 нм.

Растворитель должен быть прозрачен на рабочей длине волны, иначе кварцевое окно бесполезно. Стандартная длина оптического пути 10 мм, другой номинал подбирают под оптическую плотность пробы 0,2-0,7. Исполнение кюветы для спектрофотометра задаёт метод: две оптические грани для пропускания, четыре для флуоресценции, микрообъём для малых проб. По ГОСТ 20903-75 кюветы с крышками комплектуют по 2 или 4 шт с одинаковой маркировкой длины пути, например К10,01. Пара идёт под пробу и раствор сравнения.

Какой диапазон длин волн нужен: кварц, стекло или полимер

По таблице границ полупропускания стёкол в учебном пособии ИТМО у оптического стекла К8 эта граница лежит на 325 нм, у БК10 на 336 нм, у ЛФ5 на 340 нм. Стеклянная кювета поэтому работает с 330-350 нм. Нуклеиновые кислоты измеряют на 260 нм, белки на 280 нм, и для обеих длин волн подходит только кварцевая кювета. Ниже 200 нм заходит даже проверка прибора: рассеянный свет ГФ XV контролирует раствором KCl на 198 нм. Диапазоны кварца, стекла и кристаллов сопоставлены в обзоре оптических окон и их диапазонов.

Кюветы из полимерных материалов ГФ XV допускает, но интервал допустимого отклонения длины пути у них шире. Применение полимера фармакопея требует «тщательно обосновать» оценкой рисков. Для фотоколориметров и работы в видимой области хватает стеклянных кювет для фотометрии: кварц там допустим, но избыточен для таких измерений.

Ниже 325 нм оптическое стекло К8 пропускает менее половины света, поэтому измерения на 260 и 280 нм выполняют в кварцевых кюветах.

Растворитель и кювета: граница прозрачности всей системы

Нижнюю границу рабочего диапазона задаёт растворитель: в хлороформе кварцевая кювета с областью применения от 186 нм не даёт выигрыша.

Хлороформ поглощает уже с 237 нм, и кварцевая кювета, область применения которой по ГОСТ 20903-75 начинается с 186 нм, с ним ничего не выигрывает. Нижний предел УФ-спектрофотометрии задаёт пара «кювета плюс растворитель». Значения ниже взяты из табл. 1.2 «Области поглощения растворителей» учебного пособия ТПУ по УФ- и ИК-спектроскопии.

По ОФС.1.2.1.1.0003 Государственной фармакопеи XV оптическая плотность растворителя против воздуха на той же длине волны не должна превышать 0,4, а желательно меньше 0,2. Для методик на 200-230 нм подходят вода, ацетонитрил, гексан и циклогексан: их граница лежит на 190-195 нм. У метанола с границей 201 нм и этанола с границей 204 нм запас у нижнего края диапазона мал.

Кювета кварцевая: пропускание марок, химстойкость и ограничения

На 210-220 нм КВ и КИ почти не пропускают свет, а КУ-2 на 200 нм уступает КУ-1. Значения по ГОСТ 15130-86 для материала толщиной 10 мм.

Ниже 220 нм КУ-2 уступает КУ-1: на 200 нм в слое 1 см коэффициент пропускания у неё 0,845 против 0,960. КВ и КИ на 210 нм почти непрозрачны, а КУ-2 уступает КУ-1 по всему диапазону ниже 220 нм, поэтому для 186-220 нм окна делают из КУ-1; её же требует п. 2.1 ГОСТ 20903-75. Таблица 10 приложения 3 ГОСТ 15130-86 даёт τ для материала толщиной 10 мм без потерь на отражение (у кюветы 10 мм на оба окна по разности размеров 12,5 и 10 мм приходится 2,5 мм стекла, и её пропускание другое). Остальные различия разобраны в статье виды кварцевого стекла и их различия.

Обозначение «н/д»: значение в ГОСТ 15130-86 не приведено.

Химическую стойкость задаёт сетка SiO₂. Её разрушают плавиковая кислота (HF) любой концентрации и горячая концентрированная фосфорная кислота, а щёлочи действуют тем быстрее, чем выше температура и концентрация. Воду, большинство кислот и органические растворители кварц переносит, остальные агрессивные среды перечислены в материале что разрушает кварцевое стекло.

Первое ограничение связано с OH-группами: у синтетического КУ-1 τ на 2200 нм падает до 0,58, а на 2720 нм до нуля. По ГОСТ 15130-86 марка КИ на 2720 нм пропускает больше 0,999, поэтому кюветы для ближнего ИК выше 2,2 мкм заказывают из КИ. «УФ-кювета» и «ИК-кювета» — разные исполнения, и ИК-вариант изготавливают по чертежу, вне требования п. 2.1 ГОСТ 20903-75 об окнах из КУ-1.

Второе ограничение задаёт соединение стенок: по п. 2.4 ГОСТ 20903-75 устойчивость кювет к воде, кислотам, щелочам и органическим растворителям «должна быть обеспечена способом их изготовления».

Свои кюветы мы собираем высокотемпературной диффузионной сваркой без клея и флюса, отжиг снимает напряжения в зонах сварки, а швы проверяем на полярископе.

ГОСТ 20903-75: требования к кварцевым кюветам для спектрофотометров

ГОСТ 20903-75 действует с 01.07.1976 без ограничения срока по протоколу МГС № 4-93, а с Изменением № 2, введённым 01.01.1990, ссылается на ГОСТ 15130-86. Стандарт распространяется на прямоугольные кварцевые кюветы с окном шириной 10 мм для измерения пропускания жидких прозрачных веществ в области 186-2500 нм. При выборе проверяют шесть требований:

• п. 2.1-2.2: окна только из кварцевого стекла КУ-1, стенки и дно из кварцевого стекла по ГОСТ 15130-86;
• п. 2.5: отклонение от плоскостности рабочей зоны окон не более N = 10 интерференционных полос, местное не более ΔN = 3;
• п. 2.6: шероховатость окон, внутренних поверхностей стенок и дна Rz ≤ 0,05 мкм;
• п. 2.8-2.9: класс чистоты полированных поверхностей P = VI по ГОСТ 11141-84, рабочей зоны окон P = IV;
• п. 2.10: длину пути l измеряют в 14 мм от дна и 5 мм от боковой стенки с погрешностью не более ±0,01 мм;
• таблица размеров: для номиналов 1-10 мм отклонение длины пути ±0,03 мм.

У кюветы 10 мм допуск ±0,03 мм составляет ±0,3 %. Это в 1,7 раза жёстче нормы ±0,5 %, или ±0,05 мм, из ОФС.1.2.1.1.0003 Государственной фармакопеи XV. Строка «по ГОСТ 20903-75» в заявке закрепляет марку окон КУ-1 и допуск длины пути.

Длина оптического пути: кювета кварцевая 10 мм и другие номиналы

Длина оптического пути l равна расстоянию между внутренними поверхностями окон; её действительное значение стоит на корпусе в маркировке.

ГФ XV по умолчанию предписывает кювету с толщиной слоя 1 см, а для жидких образцов допускает 0,01-5 см. Длина оптического пути кюветы равна расстоянию между внутренними поверхностями окон, которое луч проходит в растворе. Кюветы кварцевые для спектрофотометра 10 мм закрывают большую часть методик, другие номиналы подбирают по оптической плотно

сти пробы.

По закону Бугера-Ламберта-Бера оптическая плотность пропорциональна длине пути. При той же концентрации кювета 50 мм даёт в 5 раз большую оптическую плотность, чем 10 мм. Учебное пособие ТПУ называет рабочим интервал 0,2-0,7. Из пропорциональности следует, что разбавленные пробы измеряют в кюветах 20-50 мм, а концентрированные в 1-2 мм. Цветность вод по ПНД Ф 14.1:2:4.207-04 определяют при 413 нм в кювете 50 мм.

Почему не взять кювету подлиннее, чтобы поднять чувствительность? У концентрированной пробы оптическая плотность выйдет за 0,7, и погрешность измерения вырастет.

Номиналы и допуски по ГОСТ 20903-75:

* Размер не предпочтителен.

Кроме кювет для спектрофотометра 10 мм, мы изготавливаем кюветы с путём 1-100 мм, под заказ с путём 0,1 мм, а также прецизионные кюветы с точностью пути ±0,01 мм.

Какие бывают кюветы для спектрофотометра: окна, объём, проточные и термостатируемые

Для измерения поглощения хватает двух окон, для флуоресценции нужны четыре: возбуждение входит через одну грань, а излучение регистрируют через перпендикулярную.

Для измерения поглощения на просвет кювете хватает двух прозрачных граней, а флуоресцентной нужны четыре. Излучение возбуждения входит через одну грань, а флуоресценцию регистрируют через перпендикулярную, под углом 90°. Для малых проб кварцевые кюветы для спектрофотометра подбирают по рабочему объёму, не меняя длину пути. Деление по окнам и объёму одинаково для любых кювет для фотометрии.

• Полумикрокювета: объём 1 мл при пути 10 мм.
• Микро- и ультрамикрокюветы: рабочий объём 0,4 и 0,1 мл.
• Проточная кювета: для детекторов ВЭЖХ и потоковых измерений.
• Термостатируемая кювета: водяная рубашка держит температуру пробы.
• Кювета с крышкой, пробкой или шлифом: крышка по п. 2.3 ГОСТ 20903-75 должна выдерживать воду, кислоты, щёлочи и органические растворители, поэтому мы ставим пробки из фторопласта (PTFE) и делаем шлиф 14/23.
• Цилиндрические кюветы и кюветы по чертежу нужны там, где прямоугольный корпус не подходит, все исполнения кварцевых кювет собраны в каталоге.

Набор кювет для спектрофотометра: как подобрать согласованную пару

По ОФС.1.2.1.1.0003 ГФ XV кюветы для испытуемого раствора и раствора сравнения при заполнении одним растворителем должны иметь одинаковое пропускание, иначе различие учитывают. Для двухлучевых приборов фармакопея среди мер называет подбор соответствующих друг другу кювет. Согласованная пара — две кюветы с одинаковой фактической длиной оптического пути и одинаковым поглощением на одном растворителе.

ГОСТ 20903-75 закрепляет это маркировкой: по п. 2.11 на верхней части кюветы наносят индекс «К» и действительную длину пути с двумя знаками после запятой, например К10,01. Пункт 2.12 требует комплектовать кюветы с крышками по 2 или 4 шт с одинаковой маркировкой, поэтому набор кювет для спектрофотометра заказывают парой или четвёркой.

Аналитики на профильных форумах описывают подбор пары из нескольких кварцевых кювет для спектрофотометра так: кюветы заполняют дистиллированной водой из одной колбы, снимают спектры и берут две с минимальным расхождением. Если оно осталось, кювету с большим поглощением ставят под пробу, с меньшим под раствор сравнения.

Согласованные пары мы подбираем с совпадением длины оптического пути ±0,005 мм.

Совместимость с прибором и входной контроль: тест на 240 нм

Тест по ГФ XV показывает, кварцевая перед вами кювета или стеклянная, и годна ли она к работе.

По ГОСТ 20903-75 у кюветы с путём 10 мм наружный размер по ходу луча 12,5 мм, ширина корпуса 12,5±0,2 мм. Высота корпуса 45±0,5 мм, с крышкой не более 50 мм, и под этот габарит подбирают кюветодержатель. Наш стандартный формат 12,5×12,5×45 мм с внутренним сечением 10×10 мм. В заявке со ссылкой на стандарт кювету записывают по форме ГОСТ 20903-75 «Кювета К10 ГОСТ 20903-75», и тогда окна по п. 2.1 должны быть из КУ-1.

Кюветы для спектрофотометра с путём 1-5 мм имеют наружный размер 3,5-7,5 мм. До заказа проверьте, есть ли у прибора держатель или вставка под такую толщину.

Входной контроль по той же ОФС ГФ XV проводят с водой:

1. Заполнить кювету водой, установить в держатель.
2. Измерить оптическую плотность против воздуха: на 240 нм для кварцевой кюветы, на 650 нм для стеклянной.
3. Повернуть кювету в держателе на 180° и повторить измерение.
4. Сравнить с нормой: кварцевая кювета 1 см не более 0,093, стеклянная 1 см не более 0,035, расхождение после поворота не более 0,005.

Тот же тест различает кварц и стекло. Оптическое стекло на 240 нм практически непрозрачно, и стеклянная кювета с водой в норму 0,093 не уложится.

Уход и мойка кварцевых кювет

На профильных форумах аналитики пишут, что старые кварцевые кюветы выдерживали хромовую смесь, а часть современных разрушается и от неё, и от аммиака с перекисью. Другой участник той же темы пишет, что для «сварных», а не клеёных кювет лучше подходит хромовая смесь. Это свидетельства практиков, не норма: ГОСТ 20903-75 в п. 2.4 лишь требует, чтобы стойкость обеспечивалась способом изготовления. Поэтому режим мойки кварцевых кювет зависит от конструкции.

Если способ сборки неизвестен, кювету моют водой с мягким моющим средством.

• До измерения кювету ополаскивают растворителем пробы, а не водой.
• После измерения хватает воды и мягкого моющего средства, практики используют и обычное мыло. Растворы под разные загрязнения описаны в статье как очистить кварцевое стекло.
• Хромовую смесь применяют, если методика лаборатории её требует; для кювет неизвестной конструкции это лучше уточнить у изготовителя.
• HF и горячие щёлочи исключены для любой кварцевой кюветы: они разрушают каркас SiO₂.
• Окна не трогают пальцами, кювету держат за матированные наружные стенки, их шероховатость по п. 2.7 ГОСТ 20903-75 не более Ra 2,5 мкм. Вред отпечатков объясняет статья почему нельзя трогать кварц руками.
• Хранят кюветы сухими, в футляре.

Итоговая таблица выбора кварцевых кювет для спектрофотометра

Семь строк идут в порядке, по которому кварцевые кюветы подбирают под методику.

Шесть параметров мы просим указать в заявке: длину оптического пути, число окон, объём, крышку или шлиф, рабочий спектральный диапазон и количество.

Частые вопросы

Чем кварцевая кювета отличается от стеклянной и пластиковой?

Кварцевые кюветы для спектрофотометра прозрачны в УФ: КУ-1 в слое 1 см без учёта потерь на отражение пропускает 96 % излучения на 200 нм, а стекло К8 пропускает половину света лишь с 325 нм. Пластиковые кюветы ГФ XV допускает только с обоснованием по оценке рисков.

Как проверить, кварцевая кювета или стеклянная?

По ГФ XV кювету с водой измеряют против воздуха при 240 нм: у кварцевой кюветы 1 см оптическая плотность не выше 0,093, после поворота на 180° она меняется не более чем на 0,005. Стеклянная кювета на 240 нм почти непрозрачна.

Есть ли ГОСТ на кварцевые кюветы?

Да, действует ГОСТ 20903-75 на прямоугольные кварцевые кюветы для области 186-2500 нм. Он задаёт номиналы пути 1-50 мм с допуском ±0,03-0,05 мм, окна из КУ-1 и маркировку фактической длины пути, например «К10,01».

Какую длину оптического пути кюветы выбрать?

Длину оптического пути кюветы подбирают так, чтобы оптическая плотность пробы попала в интервал 0,2-0,7. Стандарт 10 мм, для разбавленных проб берут 20-50 мм, для концентрированных 1-2 мм.

Зачем кювете четыре прозрачные грани?

Четыре полированных окна нужны для флуоресценции: возбуждающий свет входит через одну грань, излучение пробы регистрируют через перпендикулярную, под углом 90°. Для поглощения на просвет хватает двух граней.

Можно ли мыть кварцевую кювету кислотой?

Кварцевое стекло стойко к большинству кислот, кроме плавиковой HF и горячей концентрированной фосфорной кислоты. По наблюдениям аналитиков на форумах, часть современных кювет разрушается от хромовой смеси, аммиака и перекиси, поэтому кювету неизвестной конструкции моют водой с мягким моющим средством.

Подберём кварцевые кюветы для спектрофотометра под методику: марку окон КУ-1 или КУ-2, длину пути 1-100 мм, пару с совмещением пути ±0,005 мм. Нестандартные кварцевые кюветы по чертежу изготавливаем за 3-4 недели.