Спектрофотометр принцип работы кратко
Обновлено: 05.07.2024
Спектрофотометр (от спектр, фото и измерение) — прибор для исследования свойств различных веществ на основе анализа спектрального состава отражённого или прошедшего через вещество излучения в оптическом диапазоне по отражению (поглощению) различных длин волн электромагнитного излучения. Так же используется для измерения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа и фотометрирования.
Под оптической спектроскопией понимаются все методы количественного и качественного анализа, основанные на взаимодействии света с живой и неживой материей.
Содержание
Возможности
Основное отличие спектрофотометра от [1] .
Область применения
Оптическая спектроскопия применяется в различных областях науки, производства и медицины, в том числе в химии, биологии, физике и астрономии. Высокая достоверность оптической спектроскопии объясняется тем, что каждое вещество обладает своими спектральными свойствами, отличными от спектральных свойств других веществ. Вещества можно анализировать как в количественном, так и в качественном аспектах.
Современные спектрофотометры применяют для измерения коэффициентов оптической плотности прозрачных растворов и твердых тел. Кроме того, они дают возможность измерить скорость изменения плотности и определить концентрацию вещества в растворе.
Оптическая схема спектрофотометров
Рис. 1. Блок-схема однолучевого спектрофотометра с фокусировкой на образце узкой области спектра после монохроматора и дальнейшем измерением уровня сигнала
Рис. 2. Блок-схема однолучевого спектрофотометра с фокусировкой на образце широкополосного излучения и дальнейшем измерением с помощью монохроматора узких областей отражённого спектра
Рис. 3. Спектры чувствительности различных типов фотоприёмников используемых в спектрофотометрах
Оптические схемы спектрофотометров могут быть выполнены по однолучевой или двух лучевой схемам. Поэтому все спектрофотометры принято подразделять на:
Чтобы измерить коэффициент отражения (поглощения), необходимо измерить как падающий, так и отраженный от образца свет. Поэтому в традиционном двухлучевом приборе второй луч, луч сравнения, используется в качестве эталона. Это позволяет измерить свет, который попадает на образец.
В однолучевом приборе так же возможно измерить коэффициент отражения, но в этом случае требуется вычислить коэффициент коррекции.
В двухлучевом приборе использование луча сравнения также увеличивает стабильность измерения прибора. Двухлучевой прибор менее чувствителен к изменениям происходящим в процессе измерения. Приборы, использующие двухлучевую схему и два спектральных анализатора, позволяют добиться максимальной точности и воспроизводимости измерений.
Конструкция спектрофотометров
Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются несколько различных типов фотоприёмников. Так например сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерений в области спектра от 186 нм. до 700 нм., а кислородно-цезиевый фотоэлемент — для измерения в области спектра от 600 нм. до 1100 нм. В областях спектра от 165 — 1000 нм. используют фото электронные умножители (ФЭУ). В областях 700 — 1800 нм. используют полупроводниковые фотоприёмники на основе PbS. В области длин волн 1600 -3300 нм. используют полупроводниковые фотоприёмники на основе InGaAs (Рис. 3).
В настоящее время с появлением возможности создавать матрицы из полупроводниковых фотоприёмников появилась возможность видоизменить устройство спектрофотометра. Таким типом спектрофотометров являются приборы с фотодиодной матрицей (PDA). Здесь свет от источника направляется непосредственно на образец и уже после этого - на дифракционную решетку, с которой проецируется разложенный по поддиапазонам свет на фотодиодную матрицу. Последняя содержит определенное количество фотодиодных датчиков, преобразующих световую энергию в электрические импульсы. Поэтому любой диапазон длин волн при подобной конструкции спектрофотометра дает свой "отклик" на своём фотоприёмнике мгновенно, а не последовательно, как это имеет место в традиционных спектрофотометрах. Электрические сигналы с фотодиодов усиливаются и обрабатываются микрокомпьютером с выводом результатов на дисплей. Количество фотодиодов в матрице определяет разрешающую способность спектрофотометрического прибора. Применение фотодиодной матрицы является важным элементом проведения кинетических исследований, что позволяет одновременно производить замеры исследуемого субстрата и образующегося в ходе реакции продукта при различных длинах волн. Использование данной схемы обеспечивает высокое быстродействие при работе спектрофотометра в режиме сканирования.
Спектрофотометр дает возможность пропустить через исследуемый образец световой поток любой требуемой длины волны, проводить фотометрические измерения, сканируя (просматривая) весь диапазон длин волн не только видимого (VIS) 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 спектрофотометрических исследованиях.
Принцип действия
Принцип действия спектрофотометра основан на нулевом методе и заключается в следующем. Монохроматический пучок света делится призмой Рошона на два плоскополяризованных пучка. Один пучок диафрагмируется, другой проходит через призму Волластона и снова делится на два пучка, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Так как на призму Волластона падает плоскополяризованный пучок света, интенсивность пучков света за призмой Волластона определяется угловым положением относительно нее призмы Рошона.
Далее пучки поочередно перекрываются вращающимся модулятором таким образом, что интенсивность света в каждом пучке изменяется по трапецеидальной форме, и началу открытия одного пучка соответствует начало закрытия другого. Конструкция модулятора и скорость его вращения выбраны таким образом, что световой поток прерывается с частотой 50 Гц.
Свет, прошедший через контрольный и измеряемый образцы, попадает в интегрирующий шар и после многократного отражения от его стенок освещает фотоэлемент. Освещенность фотоэлемента в каждый момент времени определяется суммой световых потоков, прошедших через контрольный и измеряемый образцы. Если световые потоки равны, освещенность фотоэлемента будет постоянна в любой момент времени, и переменный сигнал на входе усилительной системы будет отсутствовать.
При наличии поглощения в измеряемом образце суммарный световой поток на фотоэлементе будет изменяться с частотой 50 Гц и на нагрузке фотоэлемента появится переменное напряжение сигнала той же частоты. Это напряжение усиливается усилителем и подается на обмотку управления электродвигателя отработки, который с помощью фотометрического кулачка поворачивает призму Рошона до тех пор, пока не исчезнет разность световых потоков, вызывающая электрический сигнал на входе усилителя.
Одновременно с поворотом призмы происходит перемещение пера, фиксирующего на бланке пропускание или оптическую плотность образца. Изменение длины волны света, выходящего из монохроматора, производится путем перемещения вдоль спектра средней щели спектрофотометра электродвигателем развертки спектра; одновременно с этим поворачивается барабан записывающего устройства. Таким образом, на бланке, закрепленном на барабане, записывается кривая зависимости коэффициента пропускания или оптической плотности образца от длины волны.
При работе на фиксированной длине волны происходит поворот барабана записывающего устройства без перемещения средней щели спектрофотометра, при этом на бланке записывается кривая изменения коэффициента пропускания или оптической плотности образца во времени.
3.1.3.2. Оптическая схема
Оптическая схема спектрофотометра состоит из двух частей: спектральной (двойного монохроматора) и фотометрической.
Нить лампы 1 (рис. 1) изображается конденсором 2 через входную щель 3 в плоскости объектива 4.
По выходе из монохроматора пучок света попадает в фотометрическую часть спектрофотометра. Сначала пучок проходит через линзу 10 и двоякопреломляющую призму Рошона 11. Линза 10 дает изображение объектива выходного коллиматора вблизи диафрагмы 12, призма 11 разделяет это изображение на два, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одно изображение, расположенное на оптической оси системы, проходит через призму Волластона 13 и линзу 14, другое, смещенное, — срезается диафрагмой 12.
Линза 14 дает изображение выходной щели в плоскости полулинз 15, установленных внутри модулятора света 16. Вследствие двойного лучепреломления призмы Волластона в плоскости полулинз получаются два изображения выходной щели. Пройдя полулинзы 15, контрольный и измеряемый образцы, пучки отклоняются на 90° призмами 17, затем через входные окна 18 шара 19 падают на окна 20, к которым прижимаются две белые заглушки.
Свет суммируется шаром и освещает фотоэлемент, расположенный за выходным окном шара, закрытым молочным стеклом.
Электронный прибор, с помощью которого определяется состав веществ и их соединений в эмульсиях, взвесях и растворах называется медицинским спектрофотометром. Устройство имеет два наиболее известных названия: фотоэлектрический фотометр и фотоэлектроколориметр. Спектрофотометры используются в различных сферах, но больше всего они нашли свое применение в медицине и фармацевтике. Приборы отличаются высокой точностью и позволяют сэкономить реактивы и время на проведения исследования.
Особенности спектрофотометров
Самые первые фотометры нуждались в участии медицинского работника для проведения исследования. Специалист должен был сравнивать и фиксировать полученные с устройства показатели. Данные сопоставлялись с общепринятыми нормативами. На смену таким приборам пришли автоматизированные фотоэлектроколориметры.
Спектрофотометры – это современное медицинское оборудование, которое предназначается для изучения и анализа свойств предметов либо веществ с помощью электромагнитного излучения. Световые лучи проходят сквозь пробу или отражаются от нее. Прибор сравнивает поток света, который первоначально направляется на биоматериал с излучением, проходящим сквозь образец либо отражающим от его поверхности.
Для проведения анализа сканируется широченный диапазон волн: начиная от 160 нм (ультрафиолет), заканчивая 3300 нм (инфракрасные лучи), с помощью чего получается максимально точная информация о веществе.
Спектрофотометрическая методика основана на том, что каждый предмет обладает особенными спектральными характеристиками. Именно поэтому во время проведения анализа не играет роли температурный режим и агрегатное состояние образца. Особенностью спектрофотометра является возможность проведения качественных и количественных исследований.
Главным плюсом фотоэлектрического фотометра есть вывод полученной информации на дисплей (лаборант может увидеть состав пробы, наличие и численность примесей). С помощью специальных световых фильтров устройство определяет в образце не менее 3-5 составляющих компонентов.
Сферы применения
Спектрофотометры используются для исследований в биохимии (анализируются липиды, электролиты, субстраты, ферменты), иммунохимии (проводится анализ ламбда, ферритин, миоглобин, микроальбумин, гаптоглобин), бактериологии. Для анализа качества еды и воды (сточной, природной и питьевой) применяется фотоэлектроколориметр. При определении качественных характеристик воды определяется мутность и цвет жидкости, наличие тяжелых металлов и поверхностно-активных компонентов, содержание нитритов, фосфатов, фенолов и сульфатов.
Спектрофотометр пригодится для проведения научных, гормональных, экологических и специальных исследований. В отделениях санитарно-эпидемиологического надзора обязательным является наличие данного прибора. Кроме медицины оборудование используется в сельском хозяйстве и промышленной отрасли.
Фотоэлектрический фотометр нужен для:
- выявления чистоты исследуемых образцов и нахождения примесей;
- измерения в жидкостях оптической плотности и ее изменений;
- определения концентрации пробы (исследование проводится в медицинских учреждениях);
- изучения, анализа состава и химического строения веществ, образцов и реактивов;
- спектральной диагностики.
Фотоэлектроколориметр – это устройство, которое применяется для проведения различных исследований: медицинских; биологических; фармацевтических; химических. Благодаря точным результатам, которые появляются на экране оборудования, доктор может узнать характеристику реагентов и назначить пациенту эффективное лечение.
Как устроен прибор?
Абсолютно все автоматизированные фотоэлектроколориметры состоят из: источника света (вольфрамовой, дейтериевой или галогено-дейтериевой лампы); усилителя сигналов; фотоприемника; монохроматора; оптических составляющих (световодов, зеркала, призмы и стекла); отсека для реагента.
Монохроматор содержит дифракционную решетку либо призму, которые выделяют излучение определенной длины волны. В различных моделях есть от одного до четырех отсеков для проб. С помощью фотоприемников спектрофотометр фиксирует уровень светового излучения, который проходит сквозь биологический материал.
Наиболее современные приборы укомплектованы фотодиодной матрицей, в состав которой входит встроенный датчик. Чип преобразует световой сигнал в электрический, это фиксируется микроконтроллером и высвечивается на мониторе оборудования. Не достаточно мощные приборы обрабатывают волны с различной длиной постепенно, и только потом выводят результаты на дисплей. От количества фотодиодных датчиков зависит производительность и информативность спектрофотометра.
С помощью приборов с фотодиодной матрицей можно проводить оперативные исследования не отходя от производства либо во время возникновения химической реакции. Это позволяет детально проанализировать состояние реакционных веществ.
Особенности работы устройства
Спектрофотометрическая методика основана на измерении степени отражения или поглощения монохроматических световых лучей. Во время исследования посторонние факторы не могут влиять на результативность анализа. Все приборы работают на двух разновидностях схем. В первом случае на пробу попадает монохроматический световой луч с определенной длиной волны, который после прохождения через образец направляется на фотоприемник, измеряющий разницу между потоками.
Суть второй схемы заключается в том, что на реагент попадает световой поток прямо от лампы, затем монохроматор выделяет небольшой пучок и направляет его к фотоприемнику.
Спектрофотометры бывают однолучевыми и двухлучевыми. В приборах с одним лучом для измерения применяются коэффициенты коррекции. В случае двухлучевой диагностики один луч попадает на пробу, а второй – на эталонное значение. Оборудование с двумя лучами более точное, информативное и менее чувствительное к окружающим факторам.
Правила выбора спектрофотометра
При подборе устройства необходимо учитывать сферу его применения и выполняемые задачи. Фотоэлектрические фотометры бывают переносными и стационарными. Портативные аппараты имеют небольшой вес, компактные и легкие в использовании. Стационарные приборы устанавливаются в медицинских учреждениях и диагностических центрах. С помощью этих устройств проводятся более сложные измерения. Такие спектрофотометры могут подключаться к персональному компьютеру с помощью кабеля, а полученные данные подлежат архивированию, обработке и распечатке на принтере.
При выборе медицинского аппарата нужно учитывать: спектр действия (диапазон); длину волны; многофункциональность устройства; габариты; цену; вероятность проведения определенных исследований; количество секций для реагентов; способ получения результатов. Также необходимо обратить внимание на штатную комплектацию модели спектрометра, потому как практически все современные приборы продаются с кюветом и чашкой Петри.
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.
Спектрофотометры 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.
Спектрофотометр (лат. spectrum — видимое, видение, др.-греч. φῶς , родительный падеж φωτός — свет и μετρέω — измеряю) — прибор, предназначенный для измерения отношений двух потоков оптического излучения, один из которых — поток, падающий на исследуемый образец, другой — поток, испытавший то или иное взаимодействие с образцом. Позволяет производить измерения для различных длин волн оптического излучения, соответственно в результате измерений получается спектр отношений потоков.
Спектрофотометр является основным прибором, используемым в спектрофотометрии. Обычно используется для измерения спектров пропускания или спектров отражения излучения. [1] .
Читайте также: