Спектрофотометр: определение, устройство и применение¶
Спектрофотометр — измерительный прибор, предназначенный для определения спектральных характеристик объектов: мощности светового потока, пропускания или отражения вещества в зависимости от длины волны. Относится к классу оптико-электронных измерительных приборов и широко используется в физике, химии, биологии, медицине и промышленном контроле качества.
¶Принцип действия
Спектрофотометр измеряет интенсивность излучения, прошедшего через образец (или отражённого от него), в узком спектральном диапазоне. Отношение интенсивности излучения, прошедшего через образец, к интенсивности падающего излучения называется пропусканием (лат. transmittance). На его основе вычисляется показатель поглощения (оптическая плотность), связанный с концентрацией вещества законом Бера — Ламберта:
A = ε · c · l,
где A — оптическая плотность, ε — молярный коэффициент поглощения, c — концентрация вещества, l — толщина слоя образца. Закон выполняется для растворов при невысоких концентрациях и монохроматического излучения.
¶Устройство
Основные узлы спектрофотометра:
- Источник излучения — лампа накаливания (для видимой и ближней инфракрасной области), дейтериевая лампа (для ультрафиолетовой области), вольфрамовая лампа (для видимой области), светодиоды или лазеры.
- Монохроматор — устройство, выделяющее узкую полосу длин волн из широкополосного излучения. В качестве диспергирующего элемента используются дифракционные решётки или призмы.
- Кювета (самплер) — прозрачная емкость для размещения образца. Материал кюветы подбирается в зависимости от рабочего диапазона: кварцевое стекло для УФ-области, оптическое стекло для видимой области.
- Детектор — фотоприёмник, преобразующий световой сигнал в электрический: фотодиод, фотомножитель, ПЗС-матрица (CCD) или болометр.
- Обрабатывающее устройство — аналоговая или цифровая электроника, обеспечивающая усиление сигнала, преобразование, вычисление и отображение результатов.
По конструкции различают спектрофотометры с последовательным сканированием (монохроматор последовательно перестраивается по длинам волн) и с одновременной регистрацией всего спектра (используется ПЗС-детектор или полихроматор).
¶Классификация
По диапазону измеряемых длин волн спектрофотометры подразделяются на:
- Ультрафиолетовые (УФ) — диапазон примерно 190–380 нм;
- Видимые (VIS) — 380–780 нм;
- УФ-ВИД (УФ-ВИС) — 190–800 нм, наиболее распространённый тип в лабораторной практике;
- Инфракрасные (ИК) — 780 нм – 25 мкм и далее, делятся на ближнюю (NIR), среднюю (MIR) и дальнюю (FIR) ИК-области.
По назначению:
- Лабораторные — высокоточные стационарные приборы для аналитической химии;
- Промышленные — для контроля качества сырья и продукции на производстве;
- Портативные (карманные) — упрощённые приборы для полевых измерений;
- Специализированные — например, спектрофотометры для измерения отражения (рефлектометры) или люминесценции.
¶Методы измерений
В спектрофотометрии применяются два основных метода:
- Абсолютный — измеряется интенсивность излучения, прошедшего через образец, относительно эталонного образца (blank) или без образца.
- Относительный (дифференциальный) — сравниваются спектры двух образцов или спектры одного образца в разных состояниях.
Для повышения точности используют метод двухлучевой схемы, в которой часть излучения направляется через образец, а часть — через эталонную кювету с растворителем. Это компенсирует флуктуации мощности источника и температурные дрейфы.
¶Применение
Спектрофотометрия — один из базовых методов количественного и качественного анализа:
- В химии и биохимии — определение концентрации веществ в растворах (белки, нуклеиновые кислоты, ионы металлов), кинетика ферментативных реакций.
- В медицине — клинические анализы крови и мочи, определение уровня глюкозы, холестерина, билирубина.
- В фармацевтике — контроль качества лекарственных средств, определение подлинности и чистоты субстанций.
- В пищевой промышленности — контроль жирности, содержания красителей, меламинового мошенничества в молочной продукции.
- В экологии — анализ качества воды, определение загрязнителей.
- В астрономии — спектральный анализ света звёзд и галактик.
- В материаловедении — характеристика тонких плёнок, полупроводников, стёкол.
¶Основные производители
На рынке лабораторного оборудования спектрофотометры выпускают компании Thermo Fisher Scientific (модель NanoDrop), Agilent Technologies, Shimadzu, PerkinElmer, Beckman Coulter, Jenway, Экспресс-хим-анализ (Россия). Российские производители также представлены приборами для учебных и промышленных лабораторий.
¶Ограничения
Точность спектрофотометрических измерений зависит от ряда факторов: спектральной ширины полосы пропускания монохроматора, линейности детектора, чистоты кювет, наличия фонового поглощения. Метод малоэффективен для мутных и сильно окрашенных растворов, а также для веществ, не имеющих выраженных полос поглощения в доступном диапазоне.
¶Историческая справка
Первые спектрофотометрические измерения были выполнены в XIX веке с использованием визуальных спектрометров. В 1940-х годах появились фотоэлектрические спектрофотометры, а в 1960-х — первые коммерческие УФ-ВИС приборы. Развитие ПЗС-детекторов и компьютерной техники в конце XX века привело к созданию приборов, способных регистрировать полный спектр за доли секунды.
¶Источники
- Гурьев И. А. Спектральные приборы. — М.: Машиностроение, 1983.
- Скоков Е. И. Спектрофотометрия в клинической биохимии. — М.: Медицина.
- Шпигель Х. Спектроскопические методы в анализе. — М.: Мир.
- Рабинович С. А., Шапиро Н. Л. Спектрофотометрия в клинической биохимии. — Л.: Медицина, 1968.