Спектрофотометр (измерительный прибор)

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.

Возможности

Основное отличие спектрофотометра от фотоколориметра состоит в возможности измерить пропущенный через исследуемый образец (или отражённый от образца) световой поток любой требуемой длины волны, провести фотометрические измерения, сканируя весь оптический диапазон длин волн не только в видимой области - от 380 до 750 нм, но и в области ближнего ультрафиолета (УФ) - от 200 до 380 нм., а также и в инфракрасной области (ИК) вплоть до 2500 нм. И более.

Спектрофотометр является наиболее важным базовым прибором как для оценки цвета промышленных изделий, так и для фундаментальных исследований в области колорометрии.

Область применения

Спектрофотометры применяются в колориметрии и спектральном анализе.

Спектрофотометры, работающие в видимом диапазоне длин волн применяются для измерения цвета.

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:

Однолучевые

Двухлучевые

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

Конструктивно спектрофотометр состоит из: источника света, монохроматора, отделения для размещения исследуемого образца, фотоприёмника, малошумящего высокостабильного усилителя и оптических элементов, таких, как: зеркала, линзы, световоды. В качестве источника излучения: используется или вольфрамовая лампа (для видимой области спектра и ИК диапазона), или дейтериевая лампа (для ультрафиолетовой области спектра). В монохроматоре диспергирующим элементом может быть как призма, так и дифракционная решетка. Исследуемые вещества могут быть как твёрдые, так и жидкие. Кюветное отделение (для жидкостей) может имеет модуль на одну кювету, модули карусельного типа или приспособления для анализа в проточном режиме. Результаты измерений могут отображаться в виде коэффициентов пропускания, оптической плотности или в единицах концентрации.

Конструктивно спектрофотометр может быть выполнен по двум схемам:

В первом случае (Рис. 1) излучение от источника света сначала попадает на монохроматор, который вырезает из него узкий участок спектра и фокусирует его на образец, а отражённое или прошедшее через образец излучение попадает на фотоприёмник. Фотоприёмник измеряет уровень сигнала пропорциональный мощности попавшего на него излучения.

Второй вариант спектрофотометра (Рис. 2) отличается тем, что излучение от источника света фокусируется на образец, о отражённое или прошедшее через образец излучение попадает на монохроматор. Монохроматор выделяет из попавшего на него излучения узкую полосу шириной всего несколько нм. и фокусирует её на фотоприёмник. Фотоприёмник измеряет уровень сигнала пропорциональный мощности попавшего на него излучения.

Современные компактные комбинированные дейтериево-галогеновые источники света обеспечивают непрерывный спектр излучения с высокой эффективностью и стабильностью в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах от 215 нм. до 2500 нм.

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.

См. Также

• Электромагнитное излучение
• Монохроматор
• Дифракционная решётка
• Колориметр