Глава 2. Установка и программное обеспечение
2.1. Экспериментальная установка
В состав экспериментальной установки входит следующее:
– фотоколориметр SpectroVis Plusс одной кюветой;
– два однокомпонентных раствора;
– чаша для промывания кювет;
– кюветы для смешивания растворов.
В н и м а н и е ! При работе на фотоколориметре:
– не касаться узких стенок кюветы пальцами;
− встряхивать раствор во флаконе перед измерением;
– при смене раствора промывать кювету;
– после измерения раствор из кюветы сливать в его же флакон.
Спектрофотометр SpectroVis Plus (рис. 2.1) обеспечивает быстрые исследования для экономии времени на ваших уроках и проводит измерения длин световых волн полного спектра. Он работает через Bluetooth или USB вашей платформы.
Спектрофотометр может с легкостью собирать полный спектр длин волн
(поглощение, процент передачи или интенсивность) меньше чем за секунду.
Как только будет определено максимальную длину волны, вы сможете определить концентрацию раствора (закон Бэра) или контролировать скорость реакции.
Низкий уровень потребности в освещенности позволяет использовать
SpectroVis Plus для учебных мини-лабораторий и практикумов по биохимии используя микро- и полумикро-кюветы.
Спектрофотометр использует светодиодную и вольфрамовую лампу для передачи света через высококачественную дифракционную решетку.
25
Дифракционное свет сортируется и собирается линейным детектором CCD матрицы.
Характеристики:
•
Диапазон волн: 380 нм — 950 нм
•
Поддержка флуоресценции: два источника возбуждения, центробежные на 405 нм и 500 нм
•
Интервал 1 нм между смежными значениями (собирает 570 показателей)
•
Оптическое разрешение (FWHM): 5,0 нм
•
Точность: длины волны ± 4,0 нм; фотометрия: ± 0,10 AU
•
Источники света: лампа накаливания, примерно 8000 часов работы, одноступенчатая калибровка.
•
Светодиод, примерно 100 000 часов работы. Наружное освещение не требуется
•
Типичное время сканирования 2 с
•
Передача информации:
Bluetooth или
USB
26
Рисунок 2.1 - Беспроводной спектрофотометр — SpectroVis Plus
Рисунок 2.2 – Оптическая схема устройства спектрофотометра
27
2.2. Програмное обеспечение
Logger Pro — LP программа для сбора и анализа данных на компьютере
Logger Pro — программное среду на Windows и Mac компьютеры для сбора и анализа данных, равных которому нет! Это мощный, функциональный и удобный в пользовании инструмент для реализации профессионального подхода к обучению. Но это не значит, что программный комплекс подходит только профильным учебным заведениям — он качественно дополняет стандартную учебную программу.
Возможности и преимущества Logger Pro
Простое начало:
•
Легко составлять лабораторные работы на LoggerPro и экспортировать в
Word или Excel
•
Содержит библиотеку с более 1000 подготовленных экспериментов
•
Быстрая адаптация лабораторных работ под вашу программу и учебный план
Разносторонние функции:
•
Поддержка более 80 датчиков Vernier для графического анализ в реальном времени
•
Сбор данных с LabQuest 2 / Stream / Mini, LabPro, WDSS, спектрометры и другие
•
Ручной ввод данных или импорт из готовых таблиц
•
Экспорт в Plotly и LabArchives — повышенная совместимость с другими
Лучшие возможности:
•
Синхронная запись видео визуализации эксперимента
•
Покадровый анализ видео с выполнением замеров на отдельных кадрах
•
Рисование прогнозов на графиках к сбору данных
28 • Статистический анализ данных с интегралами, имеющими, настройки кривой и прочее Рисунок 2.3. - Logger Pro — LP программа для сбора и анализа данных на компьютере Главные характеристики Logger Pro: 1.Автоматическая идентификация датчиков упрощает настройку. 2.Сбор данных из большого количества датчиков и устройств в реальном времени. 3.Возможность нарисовать к сбору данных прогноз. 4.Различные режимы сбора данных для эксперимента: на основе времени, выбранные события, достижения отдельных показателей, проход через фото- ворота, сумма излучения и подобные. 5.Самостоятельный ввод данных для анализа и построения графиков. 6.Импорт данных из интерфейсов Vernier. 7.Разделение графиков, таблиц и изображений для описания эксперимента на отдельных страницах. 8.Проверка значений и наклона с графиков с помощью инструментов и
29 касательной.
9.Встроенный печать схем и графиков.
Профессиональные возможности Logger Pro:
1.Графики XY, диаграммы с несколькими Y, ленточные диаграммы и построение графиков FFT.
2.Настройка пользовательских функций для модели.
3.Добыча данных из фильмов для покадрового анализа показателей.
4.Запись видео с DV камер и веб-камеры.
5.Воспроизведение фильма, синхронно с работой датчиков.
6.Анализ гель-электрофореза, GC-анализ.
7.Автоматический подсчет позволяет отображать кинетическую энергию и другие показатели.
8.Показ и сохранность времени и даты для каждого графика в эксперименте.
9.Поддержка спектрометра Ocean Optics, датчика GPS.
10.Настройки для воспроизведения курсов международного бакалавриата.
Научиться пользованию программой Logger Pro просто с инструкциями в комплекте и видео-уроками записанными с экрана (как проводятся основные
— те или иные действия). Есть образцы видеозаписей для первоначального анализа.
Лучшая система лицензирования — вы покупаете одну лицензию на все учебное заведение (школу или лицей) — не нужно подсчитывать количество компьютеров, учащиеся и преподаватели могут продолжать учебу даже дома!
Бесплатные обновления также входят в комплект.
Единая система обучения с Logger Pro
Начиная с Logger Pro версии 3.8.6 — компьютер или ноутбук может быть основой совместного использования учебных материалов для передачи данных. датчиков Vernier беспроводной связью на iPad и другие мобильные устройства.
30
Системные требования для программного обеспечения:
Windows
•
Windows 7 (32/64 бит) / 8-8.1 (32/64 бит) / 10 (32/64 бит)
•
Intel процессор не хуже требований Приказа 704 для учебных заведений
•
1024 МБ ОЗУ (2 ГБ для 64-разрядной системы)
•
900 МБ места для программы, и 2 ГБ для создания видеоматериалов
•
Свободный порт USB 2.0 или FireWire
•
Включенный Bluetooth для использования беспроводных датчиков
Linux Beta
•
Ubuntu 14.04 LTS (32 или 64 бит)
• Edubuntu
31 Глава 3 Определение концентраций растворенных веществ в двухкомпонентном растворе 3.1. Концентрированные смеси С помощью программы Logger Pro были получены следущие графики. 1) На рисунке 3.1.1 представлена зависимость D(λ) – зависимость оптической плотности от длины волны для двух эталонных растворов разного цвета: синего и оранжевого(для наглядности на рисунке изображены соответствующими цветами). Рисунок 3.1.1 – График зависимости оптических плотностей эталонных растворов от длины волны По графику видно, что растворы с данными цветами имеют противоположное изменение оптической плотности для одинаковых длин волн. В нашей работе мы проверяем, как будет выглядеть данная зависимость для смеси этих двух растворов, и как она будет меняться, в зависимости от концентрации одного раствора в смеси. Для примера представлю некоторые из них.
32 2) На рисунке 3.1.2 изображен график для смеси наших растворов с концентрацией 1(оранжевый) к 9(синий). Можно предположить, что в смеси сложились максимумы оптических плотностей обоих растворов. Но есть ли какие изменения не понятно.
Рисунок 3.1.2 - График зависимости оптической плотности смеси 1:9 от длины волны
Взгянем на равноконцентрированную смесь наших растворов.
3) Дейтвительно, на графике (рисунок 3.1.3)для смеси «50 на 50» заметно снижение общей оптической плотности смеси, и небольшое преобладание раствора оранжевого цвета.
33
Рисунок 3.1.3 - График зависимости оптической плотности смеси 5:5 от длины волны
4) А вот так (рисунок 3.1.4)выглядит график нашей зависимости для смеси
9(оранжевый) к 1(синий), на котором явно заметно подавленное воздействие оптической плотности синего раствора.
Для наглядности предствлю другие графики, на которых смеси «наложены» на эталоны.
4) (Рисунок 3.1.5) Смесь показана желтым цветом. Заметно слабое усиление оптической плотности(ОП) в области максимума оранжевого раствора и легкое ослабление ОП в области «синего» максимума.
5) (Рисунок 3.1.6) Более заметное ослабление «синего» максимума и области минимумов относительно обоих растворов.
34
Рисунок 3.1.4 - График зависимости оптической плотности смеси 9:1 от длины волны
Рисунок 3.1.5 - График зависимости оптической плотности смеси 1:9 от длины волны, наложенный на график эталонных растворов
35
Рисунок 3.1.6 – График зависимости оптической плотности смеси 5:5 от длины волны, наложенный на график эталонных растворов
Рисунок 3.1.7 - График зависимости оптической плотности смеси 9:1 от длины волны, наложенный на график эталонных растворов
6) (Рисунок 3.1.7)На данном графике видно сильное затухание воздействия
36 оптической плотности синего раствора в смеси. График очень приближен к графику зависимости эталонного раствора оранжевого цвета.
Численные результаты представлены в таблицах:
Таблица 3.1.1 - ЭТАЛОНЫ (Представлена оптическая плотность эталонных растворов на конкретных длинах волн)
Λ , нм 500 600 700
Dэ1 2,2172811696 0,2819684598 0,2641359276
Dэ2 0,2618763072 0,6067742443 2,385495258
Dэ1-Dэ2 1,9554048624
-0,3248057846
-
2,1213593304
Таблица 3.1.2 - СМЕСИ (Представлена оптическая плотность смесей на конкретных длинах волн)
Λ , нм 500 600 700
D(10%) 2,2214721291 0,4701137445 2,1357954378
D(50%) 2,0396570423
-0,0326147217 1,0621098782
D(90%) 2,0965009199 0,0925811856 0,2951074567
37
Таблица 3.1.3 - КОНЦЕНТРАЦИИ (Представлены значеня конценраций растворов в смесях)
3.2 Растворы и смеси, разбавленные водой
На следующих графиках будет представлена зависимость D(λ) – зависимость оптической плотности от длины волны для эталонных растворов и смесей, разбавленных водой.
1) На рисунках 3.2.1 — 3.2.3 показаны графики для смеси воды и оранжевого раствора. По графикам видно, что вода «сглаживает» графиик в области максимума оптической плотности и «зануляет» значения минимума.
Величина при этом в максимуме существенно не изменяется.
Смесь
10%
50%
90%
С1 0,9080205681 0,878797954 0,9432522375
С2 0,7947844694 0,3479310062 0,0192667128
38
Рисунок 3.2.1 – График зависимости оптической плотности для смеси воды и оранжевого раствора 20:80
39
Рисунок 3.2.2 – График зависимости оптической плотности для смеси воды и оранжевого раствора 50:50
Рисунок 3.2.3 – График зависимости оптической плотности для смеси воды и оранжевого раствора 80:20
40
Рисунок 3.2.4 - График зависимости оптической плотности для смеси воды и синего растгвора 20:80
На раствор синего цвета вода действует подругому.
2) На рисунке 3.2.4 показан график для смеси воды и синего раствора в пропорции 20:80 соответственно. График очень приближен к графику зависимости эталонного раствора синего цвета, но с «зануленным» минимумом .
41 3) На рисунке 3.2.5 график соответствует равноконцентрированной смеси синего раствора и воды, на котором заметно значительное затухание максимума оптической плотности раствора, точнее 1,6 раза. Рисунок 3.2.5 - - График зависимости оптической плотности для смеси воды и синего растгвора 50:50 4) На рисунке 3.2.6 изображен график, соответствующий смеси синего раствора с 80-процентной концентрацией воды. В этом случае затухание максимального значения оптической плотности соответствует 0,6, что уже в 5 раз ниже, чем у синего эталона.
42
Рисунок 3.2.6 - График зависимости оптической плотности для смеси воды и синего растгвора 80:20
Рисунок 3.2.7 - График зависимости оптической плотности для смеси воды, оранжевого и синего растгворов в пропорции 50:25:25 соответственно
43 Далее представлены графики смесей, рабавленных наполовину водой 5) На рисунке 3.2.7 представлен график равноконцентрированной смеси, разбавленной наполовину водой. По нему видно, что максимум оранжевого раствора остается с незначительным изменением, а вот оптическая плотность синего раствора упала вдвое, по сравнению с не разбавленным раствором. 6) На рисунке 3.2.8 находится график для смеси с содержанием 40% синего раствора, 10% оранжевого и 50% воды. По нему видно, что он очень похож на предыдущий, с небольшими отличиями. Рисунок 3.2.8 - График зависимости оптической плотности для смеси воды, оранжевого и синего растгворов в пропорции 50:10:40 соответственно 7) На рисунке 3.2.9 с графиком для смеси с содержанием 10% синего раствора, 40% оранжевого и 50% воды, видно, что максимум «оранжевой зоны» остался неизменным, а «а синяя зона» почти «занулилась», с незначительной оптической плотностью, приближенной к нулю.
44
Рисунок 3.2.9 - График зависимости оптической плотности для смеси воды, оранжевого и синего растгворов в пропорции 50:40:10 соответственно
Численные результаты представлены в таблицах:
Таблица 3.2.1 - ТАБЛИЦА РАЗБАВЛЕНИЙ - Представлена оптическая плотность разбавленных растворов и смесей на конкретных длинах волн.
Таблица 3.2.2 - ТАБЛИЦА КОНЦЕНТРАЦИЙ РАЗБАВЛЕННЫХ
РАСТВОРОВ (оранжевый) - Представлены значеня конценраций оранжевого раствора в разбавленных смесях
Таблица 3.2.3 - ТАБЛИЦА КОНЦЕНТРАЦИЙ РАЗБАВЛЕННЫХ
РАСТВОРОВ(синий) - Представлены значения конценраций синего раствора в разбавленных смесях
45
Таблица 3.2.1 - ТАБЛИЦА РАЗБАВЛЕНИЙ
Λ, нм
500 600 700
%
20\80 синий\вода
0 0
0,258636043369 50\50 синий\вода
0 1,05751581931 1,83893204527 80\20 синий\вода
0 0
0,902153748561 20\80 оранжевый\вода
1,92949057508 0
0 50\50 оранжевый\вода
1,92949057508 0
0 80\20 оранжевый\вода
1,87257542908 0
0 10\40\50 синий\оранжевый\в ода
1,86611003874 0
0,473562983487 40\10\50 синий\оранжевый\в ода
1,93610319751 0
0,0655097059126 25\25\50 синий\оранжевый\в ода
1,05751581931 0
0,592061778928
46
Таблица 3.2.2 - ТАБЛИЦА КОНЦЕНТРАЦИЙ РАЗБАВЛЕННЫХ
РАСТВОРОВ (оранжевый)
%
С(оранжевый)
20\80 оранжевый\вода
-0,0976310045234206 50\50 оранжевый\вода
-0,0976310045234206 80\20 оранжевый\вода
-0,0947511340807538 10\40\50 синий\оранжевый\вода
-0,829015969489802 40\10\50 синий\оранжевый\вода
-0,881471974167554 25\25\50 синий\оранжевый\вода
-0,45356077836767
47
Таблица 3.2.3 - ТАБЛИЦА КОНЦЕНТРАЦИЙ РАЗБАВЛЕННЫХ
РАСТВОРОВ (синий)
%
C (синий)
20\80 синий\вода
0,0129748657962452 50\50 синий\вода
0,0922527896150641 80\20 синий\вода
0,0452578985615641 10\40\50 синий\оранжевый\вода
0,106724203514912 40\10\50 синий\оранжевый\вода
-0,0701400311176609 25\25\50 синий\оранжевый\вода
0,197971503162756
48 Заключение В результате продеанной работы можно сделать следующие выводы: Проведен анализ литературы по тематике работы; Отработана методика проведения спектрофотоколориметрических опытов; Отработана методика обработки результатов; Отработана методика измерения оптической плотности растворов различной концентрации; Отработана методика измерения концентраций компонентов в двухкомпонентных окрашенных растворах различной концентрации; Разработаны методические указания по выполнению лабораторной ра- боты «Определение концентраций растворенных веществ в двухком- понентном растворе методом спектрофотоколориметрии».
49
Аппробация результатов
Результаты исследования были представлены в статье «Определение концентрации одно и многокомпонентных растворов средствами цифровой лаборатории Vernier» / Шимко Е.А., Р.М. Утемесов, А.А.Тархов, О.В.
Девятерикова // Сборник научных статей III Международной научно- практической конференции «Использование цифровых средств обучения и робототехники в общем и профессиональном образовании: опыт, проблемы, перспективы», Барнаул, 2-3 ноября 2017 г, С.170-175.
50
Приложение
Основная формула для нахождения концентраций растворов в двухкомпонентной смеси приведена ниже где:
С
1 и С
2 —
искомые концентрации компонентов 1 и 2 соответственно,
λ` и λ`` - длины волн соответствующие максимумам оптических плотностей эталонных однокомпонентных растворов 1 и 2,
D(λ`) и D(λ``) – оптическая плотность двухкомпонентного раствора, на соответствующих длинах волн,
D
1э и D
2э
-оптическая плотность эталонных растворов 1 и 2 соответственно
51
Библиографический список
1. Большая
Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией
Петровского Б.В., 3-е издание;
2. Сивухин Д.В. § 89. Поглощение света и уширение спектральных линий // Общий курс физики. — М., 2005. — Т. IV. Оптика. — С. 582—
583.
3. Гагарин А. П. Бугера — Ламберта — Бера закон // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 232—233. — 707 с.
4.
Никитин В. А. Спектрофотометр// Физическая энциклопедия / Гл. Ред.
А. М. Прохоров — М.: Большая Российская Энциклопедия, 1994. —
Т. 4. — С. 626. — 704 с.
5. Никитин В. А. Спектральные приборы // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров — М.: Большая Российская Энциклопедия ,
1994. — Т. 4. — С. 611—615. — 704 с
6.
Булатов М. И., Калинкин И. П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа: изд 5-е, перераб. —
Л.
: «Химия»,
1986. — С. 9. — 432 с.
7. Золотов Ю. А. Некоторые аспекты истории аналитической химии. —
Вест. Моск. Ун-та. Сер. 2. ХИМИЯ. — 2002. — Т. 43. — № 2. С. 116—
118 8. Семенов А. Д., Евстифеев М. М., Гаврилко Ю. М. Методические указания к практикуму
«Анализ объектов окружающей среды». Определение биогенных элементов в природных водах. Часть
4. — Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2001. — 15 с
9. Колориметр // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М.
Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
10. МОНОХРОМАТОР
— Физическая энциклопедия / Редкол.: Прохоров
А.М. и др.. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. —
52 672 с.
11. Монохроматор — Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.
12. Зимон А. Д., Коллоидная химия, 2003, с. 128 13.
Пропускания коэффициент // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М.
Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. —
С. 149. — 704 с
14.
Звелто О. Физика лазеров. Пер. с англ., 2 изд., М.: 1984 15. Долгов, В.В. Фотометрия в лабораторной практике / В.В. Долгов, Е.Н.
Ованесов, К.А. Щетникович. – М.: Витал Диагностикс СПб, 2004. – 142 с.
16. Устинов Г.Г. Медицинская физика. Ч.2. Физические методы и приборы в диагностике и лечении / Г.Г. Устинов, В.В. Поляков. – Барнаул: Изд-во
Алт. ун-та, 2002. – 156 с.
17. Калитеевский, Н. И. Волновая оптика: учеб. пособие / Н. И. Калитеев- ский. –СПб. [и др.] : Лань, 2006. – 466 с.
| 
Скачать 1.71 Mb.