Устройство спектрофотометрической проточной кюветы

Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к устройствам для снятия спектра веществ, и может быть использована для точных и быстрых спектрофотометрических исследований в проточном поле.
Проточные кюветы используются для измерения анализируемой среды с непрерывным потоком. Существуют самые разнообразные конструкции проточных элементов, которые зависят от условий и места применения кюветы. Проточные кюветы нашли применения в электрохимических и спектрофотометрических исследованиях в химии, медицине и других отраслях науки.
Известно устройство, содержащее корпус с измерительным проточным каналом в виде никелевого капилляра с отполированной внутренней поверхностью для многократного отражения оптического излучения (патент России RU 96974 U1).
Также существует устройство, состоящее из двух прозрачных пластин с двумя отверстиями в одной из них, дополнительно содержащее прокладку из герметизирующего материала, кольцеобразные капсулу и прижимную крышку (патент России RU 94037116 А).
Наиболее близким по техническому решению является проточная кювета, имеющая Z-образный канал для снятия спектрофотометрических данных (патент России RU 80240 U1, прототип). Прототип состоит из корпуса и плоскопараллельных оптических пластин, дополнительно снабженных основанием, выполненным из фторопласта в виде параллелепипеда, которое герметично заключено между плоскопараллельными оптическими пластинами. Основание имеет два канала. Один из каналов предназначен для ввода и вывода анализируемой жидкости и выполнен по Z-образной схеме, вход и выход которого расположены на противоположных боковых сторонах основания. Второй канал предназначен для прохождения светового луча и выполнен прямым, вход и выход которого расположены на верхней и нижней сторонах основания. Плоскопараллельные оптические пластины выполнены из кварцевого стекла. Такая конструкция проточной спектрофотометрической кюветы создает турбулентный поток анализируемой жидкости (элюата) в рабочей зоне, что препятствует попаданию в кювету пузырьков воздуха, мешающих проведению спектрофотометрического анализа.
Недостатками прототипа являются невозможность изменения длины оптического пути, что не позволяет измерять широкие диапазоны концентраций вещества, и незащищенность от агрессивных сред.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является проведение спектрофотометрических измерений с регулируемой длиной оптического пути в проточной химически агрессивной среде.
Для решения поставленной задачи предлагается спектрофотометрическая проточная кювета (Фиг. 1), состоящая из двух прижимных титановых шайб (1) с витоновыми прокладками (2) и двух, расположенных между ними, рабочих титановых шайб (3) с витоновой прокладкой (4) (толщина которой определяет длину оптического пути и регулируется в зависимости от оптической плотности измеряемой среды), и из фторопластовых сердечников (5, 6), впрессованных в каждую из шайб.
Во впрессованный в прижимные титановые шайбы (1) (вид сбоку - Фиг. 2, вид сверху - Фиг. 3) фторопластовый сердечник (5) при помощи резьбы (7) в отверстие (8) крепится оптический прибор Avantes AvaSpec-2048. Рабочие титановые шайбы (3) (вид сбоку - Фиг. 6, вид сверху - Фиг. 7) так же имеют фторопластовые сердечники (6) со сквозным отверстием (9), заполненным кварцевым стеклом. Через каналы (10) исследуемая жидкость подается в центр устройства. Для улучшения герметизации рабочей части спектрофотометрической проточной кюветы между прижимной и рабочей титановыми шайбами располагается витоновая прокладка (2) с центральным отверстием (11) (вид сбоку - Фиг. 4, вид сверху - Фиг. 5). Между двумя рабочими шайбами располагается витоновая прокладка (4) (вид сбоку - Фиг. 8, вид сверху - Фиг. 9), диаметр отверстия (12) которой, как и ее толщина, чуть больше, чем у витоновой прокладки (2). Все детали имеют пять сквозных отверстий (13), расположенных по окружности устройства. Устройство скрепляется пятью болтами со стороны одной из прижимных титановых шайб, до прикручивания другой прижимной титановой шайбой.
Для демонстрации работоспособности устройства спектрофотометрической проточной кюветы был проведен спектроэлектрохимический эксперимент в агрессивной среде по окислению водного раствора бромида натрия и восстановлению полученного раствора в броматной проточной редокс-батарее.
2
4
2
4
Процесс окисления исследуемого раствора протекает на мембранно-электродном блоке, состоящий из мембраны Nation толщиной 115 мкм, по обе стороны которой находятся катод - углеродная бумага Sigraset, и анод - платинированная углеродная бумага Fieldberg. На катод подается 0.1 М раствор NaBr в 0.2 М HSO объемом 21 мл, на анод - раствор HSO 0,5 М объемом 20 мл (на стадии заряда проточной редокс-батареи) и молекулярный водород (на стадии разряда проточной редокс-батареи). Растворы из емкостей перекачиваются перистальтическим насосом LongerPump ВТ 100-IF в циклическом режиме со скоростью 15 мл/мин, водород подается в проточную редокс-батарею из генератора водорода со скоростью 25 л/ч. На выходе из контура для раствора натрия бромида подсоединяется проточная оптическая кювета. В данном эксперименте длина оптического пути кюветы составляет 420 мкм. Потенциостатом-гальваностатом Elins Р-50Х в гальваностатическом режиме при заряде проточной редокс-батареи накладывается ток 200 мА в течение 8000 сек, а затем - 200 мА на 6000 сек в режиме разряда. Для получения спектров исследуемого раствора используется высокочувствительный оптоволоконный спектрофотометр Avantes Avaspec-2048. Спектры регистрируются в диапазоне 200 - 1000 нм с интервалом 15 секунд. Спектры исследуемого раствора на стадиях заряда и разряда, соответствующие различным значениям пропущенного через проточную редокс-батарею заряда, представлены на Фиг. 10 и 11. Спектры строятся при длинах волн от 225 до 600 нм и оптическом поглощении от 0 до 0,6, так как именно эта область спектров представляет наибольший интерес при изучении работы броматной проточной редокс-батареи.
-
-
-
2
2
2
2
2
2
2
2
На начальном этапе стадии заряда проточной редокс-батареи бромид-анион (Вr) окисляется до брома (Вr), и часть Вr образует с Вr трибромид-анион  При этом на спектре раствора наблюдается рост пиков при длинах волн λ=267 и 400 нм, которые соответствуют,  и Вr. Пик  растет быстрее, чем пик Вr, и через некоторое время достигает верхней границы чувствительности спектрофотометра, так как коэффициент экстинкции  на несколько порядков выше, чем у Вr. При пропущенном заряде 200 Кл в системе присутствует только Вr. Затем образующийся Вr окисляется сначала до гипобромит-аниона ОВr, а потом до бромат-аниона  в результате при дальнейшем пропускании заряда на спектрах мы видим уменьшение пика Вr и появление НОВr (об этом свидетельствует рост поглощения при λ=260 нм).  не поглощает излучение в исследуемой области, о его наличии мы можем судить только по характерному участку растущей кривой в средней УФ-области спектра (λ=230-260 нм). При прохождении заряда выше 1400 Кл бром в системе присутствует только в виде
2
2
-
-
При прохождении заряда 100 Кл на стадии разряда наблюдается рост поглощения при λ=260 нм, свидетельствующий о появлении гипобромита в системе. При дальнейшем пропускании заряда через проточную редокс-батарею наблюдается рост концентрации Вr в системе вплоть до 800 Кл пропущенного заряда. Затем накопленный Вr восстанавливается до Br, и в конце процесса разряда на спектрах наблюдается отсутствие поглощения, характерное для Вr.
Таким образом, данное устройство обеспечивает возможность спектрофотометрических измерений с регулируемой длиной оптического пути в проточной среде, обладающей высокой химической агрессивностью.