Спектрофотометры - современное оборудование, предназначенное для изучения свойств веществ или предметов посредством анализа спектра оптического диапазона электромагнитного излучения, прошедшего через образец или отраженного от него. Проще говоря, спектрофотометры сравнивают поток света, изначально направленный на изучаемый образец, с потоком света, прошедшим через образец или отразившимся от него. Для исследований сканируют максимально широкий диапазон длин волн - от 160 нм (область ультрафиолета) до 3300 нм (инфракрасная область), что позволяет получить максимум информации о веществе.

Методы спектрофотометрии основаны на том, что своими, характерными только для него, спектральными свойствами, обладает каждое вещество. При этом не имеют значения агрегатное состояние, температура, взаимодействие образца с другими веществами, например, в смеси или химическом соединении. С помощью спектрофотометров возможны качественные и количественные исследования.

Сложнее и дороже обычных фотоколориметров, но зато они точнее и позволяют решать более сложные задачи. Большим преимуществом спектрофотометров является возможность делать вывод о составе вещества, наличии и количестве примесей, в то время как фотоколориметры работают только с уже известными растворами. Например, подделку красного вина с помощью фуксина определить фотоколориметром невозможно, так как цвет раствора фуксиновых солей идентичен цвету натурального вина. А вот спектрофотометр легко выявит и идентифицирует нетипичный спектр посторонней примеси.

Устройство спектрофотометра

Спектрофотометры всех видов состоят из следующих основных компонентов:
- источник света;
- монохроматор;
- оптические элементы, направляющие световой поток: стекла, призмы, зеркала, световоды и пр.;
- отделение для изучаемого вещества, твердого или жидкого;
- фотоприемник;
- усилитель сигналов.

В качестве источника света применяются обычные вольфрамовые лампы, работающие в видимом и инфракрасном спектре, дейтериевые лампы для УФ-диапазона, комбинированные галогено-дейтериевые лампы с диапазоном от ультрафиолетового до инфракрасного.

В монохроматоре используют призмы или дифракционные решетки, выделяющие излучение определенной длины волны, обычно с точностью ±10 нм (прецизионные лабораторные приборы позволяют производить анализ с точностью ±2 нм).

Отделение для изучаемого вещества может быть приспособлено как для одного образца, так и для нескольких, а также для оперативного проточного анализа.
Фотоприемники фиксируют уровень светового потока, прошедшего через исследуемый образец. Результаты могут отображаться в разных видах, в зависимости от назначения прибора и от выбора вида исследования. Как правило, спектрофотометры оснащаются несколькими типами фотоприемников для того, чтобы фиксировать излучение в различных областях спектра. Например, сурьмяно-цезиевый способен фиксировать излучение с длиной волны от 186 до 700 нм, а полупроводниковый на основе PbS - от 700 до 1800 нм.

Самые современные спектрофотометры оснащаются фотодиодной матрицей с встроенными датчиками для каждого диапазона длин волн. Все датчики преобразуют световые сигналы в электрические одновременно, позволяя специализированным микроконтроллерам практически мгновенно выводить результаты анализов на дисплей. (Обычные спектрофотометры обрабатывают сигналы для волн разной длины последовательно.) От того, сколькими фотодиодными датчиками оснащен прибор, зависит его разрешающая способность. Спектрофотометры с фотодиодной матрицей позволяют проводить оперативные анализы прямо на производстве и в момент химической реакции, анализируя состояние реакционных продуктов.

В следующей статье мы расскажем о принципе работы спектрофотометров, местах их применения и особенностях подбора подходящего оборудования для лаборатории.

В этой поговорим о принципах работы спектрофотометров; о том, где их применяют и как выбрать спектрофотометр, если он вам нужен.

Принцип работы спектрофотометров

Методы спектрометрии основаны на измерении степени поглощения (отражения) монохроматического светового потока - в этом случае влияние посторонних факторов сведено к минимуму, увеличивается чувствительность и точность приборов.

Различают две основные конструкции спектрофотометров: однолучевые и двухлучевые. В двухлучевом спектрофотометре один луч падает на исследуемый образец, а второй - на эталон. В однолучевом приборе измерения проводятся с помощью коэффициентов коррекции. Двухлучевые спектрофотометры более точные, позволяют добиться высокой степени повторяемости результатов, они менее чувствительны к изменению параметров окружающей среды.

Применение спектрофотометров

Спектрофотометры применяются, в основном, для:
- определения концентрации веществ в медицине, биологических исследованиях, в аналитической химии, фармацевтике;
- измерения в растворах оптической плотности и скорости ее изменения;
- распознавания веществ, для определения чистоты веществ (наличия примесей);
- изучения химического строения и состава веществ, химических реактивов , различных образцов;
- оценки цвета в полиграфии, в промышленности (лакокрасочной, текстильной, химической, пищевой, косметической и т. п.);
- спектрального анализа в научных исследованиях, в астрономии, физике, биологии.

Как выбрать спектрофотометр

Выбирая спектрофотометр, нужно заранее определить для себя основные параметры, необходимые для решения стоящих задач. Все приборы можно разделить на две большие группы:
- портативные;
- стационарные.

Портативные обладают небольшим весом и компактными размерами, их можно брать с собой на выезд, они подходят для оперативных измерений на производстве. Стационарные приборы предназначены для установки в лабораториях, они позволяют производить более точные и сложные измерения. Подобные спектрофотометры могут иметь интерфейс для подсоединения к компьютеру, для архивирования, распечатки, обработки данных.

Из технических параметров, существенных для химического анализа*, следует учесть:
- спектральный диапазон;
- точность выбора длины волны;
- характеристику повторяемости результатов (величина, указывающая близость серии результатов изучения одного и того же образца по одной и той же методике, одним лаборантом, на одном приборе, в одной лаборатории);
- функциональность прибора, возможность проведения тех или иных измерений, получения результатов в удобном виде;
- стоимость (зависит от функциональности и величины воспроизводимости результатов);
- габариты и вес, если речь идет о мобильном устройстве;
- габариты отделения для образцов, если речь идет о стационарном устройстве; оно должно подходить для ваших образцов.

Дополнительно можно принять во внимание наличие в штатной комплектации различных аксессуаров, например, например, кювет и чашек Петри.

Обращаем ваше внимание, что в магазине «ПраймКемикалсГрупп» вы можете купить спектрофотометр КФК-3-01-«ЗОМЗ» - функциональное оборудование по доступной цене. Также в продаже чашки Петри , другая лабораторная посуда и техника. Имеется доставка.
s______________
* Для цветометрических измерений существенными являются другие параметры спектрофотометра.

В режиме калибровки оператор с пульта вводит нормированные значения, приписанные данному калибровочному раствору, последовательно подает в кюветное отделение калибровочные растворы и проводит измерения.

В режиме анализа оператор устанавливает в кюветное отделение кювету с исследуемым раствором и проводит измерение.

Рис. 3.31. Обобщенная структурная схема одноканального колориметра. 1 - источник световой энергии; 2 - диафрагма; 3 - оптическая система; 4 - полосовой фильтр; 5 - оптическая система; 6 - кювета; 7 - фотоприемник; 8 - аналого-цифровой преобразователь; 9 - микро-ЭВМ; 10 - индикатор; 11 - пульт оператора;

12 - интерфейс связи с внешней ЭВМ и регистрирующим устройством

Рис. 3.32. Упрощенная оптическая схема однолучевого спектрофотометра. 1 - монохроматор (источник монохроматического излучения световой энергии на длине волны \\, 2 - кювета с исследуемым раствором; 3 - детектор (фотоприемник); Ф„ - падающий поток световой энергии; Ф - поток световой энергии, прошедший через раствор, поглощающий часть энергии

Рис. 3.33. Обобщенная структурная схема одноканального спектрофотометра.

1 - источник световой энергии (видимая область);

2 - поворотный отражатель; 3 - источник световой энергии (ультрафиолетовая область); 4 - оптическая система, направляющая поток энергии на входную щель; 5 - входная щель; 6 - оптическая система, формирующая параллельный поток световой анергии;

7 - диспергирующий элемент (призма или дифракционная решетка); 8 - оптическая система, направляющая поток энергии на выходную щель; 9 - выходная щель; 10 - оптическая система, формирующая поток энергии, проходящий через кювету; 11 - кювета; 12 - фотоприемник; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - микро-ЭВМ; 15 - индикатор;

16 - пульт оператора; 17 - интерфейс связи с внешней ЭВМ и регистрирующим устройством

Если у прибора отсутствует режим автоматической калибровки, то оператор строит граду-ировочный график зависимости оптической плотности и нормированных значений, приписанных калибровочным растворам.

Спектрофотометры

Основное отличие спектрофотометра от фотоколориметра состоит в возможности пропустить через исследуемый образец световой поток любой требуемой длины волны, проводить фотометрические измерения, сканируя (просматривая) весь диапазон длин волн не только видимого (V1S) света - от 380 до 750 нм, но и ближнего ультрафиолета (UV) - от 200 до 380 нм.

Последнее обстоятельство не исключает целесообразности выпуска недорогих спектрофотометров, не "имеющих источника ультрафиолетового излучения и работающих только в видимой части оптического диапазона волн.

Целью упомянутого и очень важного режима работы спектрофотометров - режима сканирования - является построение спектральной кривой поглощения (абсорбции) и нахождение на ней пиков, а также исследование процессов интерференции и поиск ложных пиков, приводящих к ошибочным результатам при спектро-фотометрических исследованиях.

Основные компоненты однолучевого спектрофотометра показаны на рис. 3.32.

Принцип работы спектрофотометра. Полихроматический свет от источника проходит через монохроматор, который разлагает белый свет на цветовые компоненты. Монохроматическое излучение с дискретным интервалом в несколько нанометров проходит через ту часть прибора, где располагается образец с исследуемой пробой.

Источник света. Спектрофотометр UV/VIS (ультрафиолет + видимый свет) имеет два источника света: для видимого участка спектра и источник ультрафиолета - от 100 до 390 нм.

Источником видимого света служит вольфрамовая, как правило, галогенная лампа, дающая постоянный поток света в диапазоне 380- 950 нм, являясь стабильным и долговечным источником световой энергии со средним сроком службы более 500 ч.

В качестве источника УФ используются водородные или дейтериевые лампы. Ультрафиолетовые лампы, содержащие дейтерий, имеют высокую интенсивность излучаемого потока и непрерывный спектр в диапазоне от 200 до 360 нм.

Устройство и принцип работы спектрофотометра

На рис. 3.33 представлена обобщенная структурная схема спектрофотометра.

Рассмотрим взаимодействие и функциональное назначение элементов структурной схемы.

Спектрофотометр идентифицирует передачу определенного вещества путем определения наблюдаемого цвета. Инструмент обычно используется для измерения концентрации РНК и . Кроме того, ферментативные и химические реакции изменяют цвет с течением времени, а спектрофотометр полезен для измерения различных изменений цвета.

Как работают спектрофотометры?

Устройство спектрофотометра

Спектрофотометр имеет несколько частей, которые включают фильтр, фотодетектор, источник света и процессор сигналов. Однако два основных компонента состоят из фотометра и спектрометра. Фотометр измеряет интенсивность света, в то время как спектрометр измеряет, производит и рассеивает свет. Эти компоненты объединяются, образуя два разных типа спектрофотометра.

Типы спектрофотометров

1. однолучевой;
2. двухлучевой;

Как использовать спектрофотометры?

Закон Беэр-Ламберта в Спектрофотометрии

Уравнение закона Беэр-Ламберта показывает линейную зависимость между впитывающей способностью и концентрацией образца. Это понимание требует определения того, что поглощающая способность прямо пропорциональна длине пути кюветы, а также любому поглощению предпочтительного образца. Реакции измеряются увеличением поглощения, поскольку наблюдаются изменения цвета. Научные машины, такие как спектрофотометры или , помогают улучшить исследования в лабораториях химии, биологии и биохимии.

Где применяется спектрофотометр и как измеряет? Все, что Вы должны знать

Энергия света зависит от длины волны, обычно обозначаемой как лямбда. Хотя электромагнитный спектр распространяется в огромном диапазоне длин волн, большинство лабораторий может измерять только небольшую их часть. UV-Vis Spectroscopy измеряет от 200 до 400 нанометров (нм) для измерений ультрафиолетового света и до приблизительно 750 нм в видимом спектре.

Для УФ-видимой спектроскопии образцы обычно содержатся и измеряются в небольших контейнерах, называемых кюветами. Они могут быть пластичными, если используются в видимом спектре, но должны быть кварцевыми или плавлеными кварцами, если используются для измерений в ультрафиолетовых лучах. Есть некоторые машины, которые могут использовать стеклянные пробирки.

Видимая спектроскопия часто используется в промышленности для колориметрии. Используя этот метод, образцы измеряются на нескольких длинах волн от 400 до 700 нм, и их профили поглощения сравниваются со стандартом. Этот метод часто используется производителями текстиля и чернил. Другими коммерческими пользователями UV-Vis Spectroscopy являются судебно-медицинские лаборатории и принтеры.

В биологических и химических исследованиях растворы часто измеряются путем измерения степени поглощения света на определенной длине волны. Значение, называемое коэффициентом экстинкции, используется для расчета концентрации соединения. Например, лаборатории молекулярной биологии используют спектрофотометры для измерения концентрации образцов ДНК или РНК. Иногда у них есть продвинутый аппарат, называемый спектрофотометром NanoDrop ™, который использует долю количества образца по сравнению с тем, который используется традиционными спектрофотометрами.

Чтобы количественная оценка была действительной, образец должен соответствовать закону Бера-Ламберта. Это требует, чтобы поглощение было прямо пропорционально длине пути кюветы и поглощению соединения. Есть таблицы коэффициентов вымирания, доступные для многих, но не для всех соединений.

Многие химические и ферментативные реакции меняют цвет с течением времени, и спектрофотометры очень полезны для измерения этих изменений. Например, полифенолоксидазы, которые приводят к коричневому цвету плодов, окисляют растворы фенольных соединений, превращая прозрачные растворы в те, которые имеют видимую окраску. Такие реакции могут быть проанализированы путем измерения увеличения поглощения при изменении цвета. В идеале скорость изменения будет линейной, и по этим данным можно рассчитать показатели. Более продвинутый спектрофотометр будет иметь термостатированный кюветный держатель для проведения реакций при точной температуре, идеальной для фермента.

Микробиологические и молекулярно-биологические лаборатории часто используют спектрофотометр для измерения роста культур бактерий. Эксперименты по клонированию ДНК часто проводятся на бактериях, и исследователи должны измерить стадию роста культуры, чтобы знать, когда проводить определенные процедуры. Они измеряют поглощение, которое известно как оптическая плотность (OD), на спектрофотометре. По ОД можно судить, активно ли делятся бактерии или начинают ли они умирать.

Спектрофотометры используют источник света для освещения массива длин волн через монохроматор. Затем это устройство пропускает узкую полосу света, и спектрофотометр сравнивает интенсивность света, проходящего через образец, с интенсивностью света, проходящей через контрольное соединение. Например, если соединение растворяют в этаноле, эталоном будет этанол. Результат отображается как степень поглощения разности между ними. Это указывает на поглощение образца соединения.

Причиной такого поглощения является то, что как ультрафиолетовый, так и видимый свет имеют достаточно энергии для возбуждения химических веществ до более высоких уровней энергии. Это возбуждение приводит к более высокой длине волны, которая видна, когда поглощение наносится на график в зависимости от длины волны. Различные молекулы или неорганические соединения поглощают энергию на разных длинах волн. Те с максимальным поглощением в видимой области видны как окрашенные человеческим глазом.

Растворы соединений могут быть прозрачными, но поглощать в УФ-диапазоне. Такие соединения обычно имеют двойные связи или ароматические кольца. Иногда имеется один или несколько обнаруживаемых пиков, когда степень поглощения отображается в зависимости от длины волны. Если это так, это может помочь в идентификации некоторых соединений путем сравнения формы графика с формой известных контрольных графиков.

Существует два типа ультрафиолетовых спектрофотометров: однолучевой и двухлучевой. Они отличаются тем, как они измеряют интенсивность света между эталонным и тестовым образцом. Двухлучевые машины измеряют эталонный и тестовый состав одновременно, в то время как однолучевые машины измеряют до и после добавления тестируемого состава.

Спектрофотометрия — это метод, с помощью которого измеряют химический состав изучаемого вещества. Спектрофотометр пропускает через образец поток световых лучей любой длины и диапазона.

Образцом в данном случае выступает раствор изучаемого вещества в жидкости, размещенный в прозрачном для излучения кювете. Причем спектрофотометры выпускаются как с наличием источника УФ - лучей, инфракрасных лучей, так и работающие в оптическом диапазоне, который виден человеку.

С помощью этого прибора измеряют отношение двух потоков оптического излучения. Один поток падает на исследуемый образец, а другой поток испытывает какое - либо взаимодействие с данным образцом. Спектрофотометр производит измерения для различных длин волн оптического излучения. В результате этих операций получается спектр отношений потоков. Данные приборы используются в медицине и в промышленной отрасли для контроля технологических процессов. С помощью спектрофотометра определяют состав и наличие примесей в различных жидкостях, таких как медицинские растворы, вода, продукты нефтяной и химической промышленности, продукция лакокрасочного производства.

Как устроен спектрофотометр

Оптическая схема простейшего спектрофотометра приведена на рисунке. В качестве источников излучения в приборах наиболее широко используются газоразрядная водородная лампа и вольфрамовая лампа накаливания.

Газоразрядная водородная лампа обеспечивает сплошной спектр в ультрафиолетовой области и особенно удобна для измерений от 200 до 350 нм.

Вольфрамовая лампа накаливания используется для работы в ближней ультрафиолетовой области, видимой и ближней инфракрасной области, т. е. в пределах от 320 до 3000 нм. Ртутные лампы обеспечивают очень высокую интенсивность в ультрафиолетовой и видимой областях, давая интенсивную линию спектра ртути и сплошное излучение. Ртутные лампы необходимо нагревать в течение 15 минут, прежде чем они начнут давать постоянное излучение.

Недостатком является высокая температура, которую ртутная лампа приобретает при работе.

Ксеноновые разрядные лампы применяются в ряде приборов для измерений в области от 200 до 900 нм.

Монохроматор - приспособление для изолирования очень узкой полосы излучения из источника света. Смешанное излучение проходит через щель в монохроматор, в котором луч разделяется на спектр при помощи призмы или дифракционной решетки. Этот спектр фокусируется на выход щели. Путем вращения призмы или дифракционной решетки можно выделить определенную часть спектра, которая через щель направляется в кюветное отделение, где находится раствор исследуемого вещества.

Классификация спектрофотометров

Учитывая назначение и конструкцию спектрофотометров, их можно разделить на три группы: простые, двуволновые, приборы с фотодиодной решеткой.

Эти приборы могут быть стационарными (самый популярный - ). Такие виды эксплуатируются только в лабораториях для проведения различных технологических процессов.

Второй вид спектрофотометров — портативный, который предназначен для работы в полевых условиях и в различных помещениях. Портативные приборы могут быть применены для небольшого узкого круга применяемых методик измерений.

Современный рынок лабораторного оборудования большим ассортиментом спектрофотометров. Они отличаются друг от друга строением оптических систем, функциональными возможностями и, конечно, .

Выбирая такой прибор необходимо определиться с ценой и моделью, которая поможет быстро и качественно решить поставленные задачи.