Spektrofotometria
Spektrofotometria – technika pomiarowa polegająca na ilościowym pomiarze transmisji lub odbicia światła przez próbkę. Od połowy XX wieku stanowi główne narzędzie spektroskopii absorpcyjnej i odbiciowej w bliskim nadfiolecie i świetle widzialnym, a dawniej również w podczerwieni, znajdując szerokie zastosowanie w chemii analitycznej, biologii, medycynie i badaniach materiałowych.
Spis treści |
[edytuj] Spektrofotometria UV-VIS
Typowe spektrofotometry UV-VIS umożliwiają pomiar w całym zakresie światła widzialnego oraz bliskim nadfiolecie, a więc w przedziale 180[1]/200[2][3]–800 nm. Zakres nadfioletu dalekiego (próżniowego) jest zwykle pomijany, gdyż występuje wówczas absorpcja promieniowania przez powietrze i wymagane jest stosowanie spektrofotometrów próżniowych[2][3]. Niektóre spektrofotometry umożliwiają pomiar w zakresie fal krótszych, aż do 165 nm, oraz bliskiej podczerwieni aż do 3000 nm[4].
[edytuj] Elementy składowe
Podstawowymi elementami typowego spektrofotometru są: źródło światła, monochromator, miejsce, w którym umieszczane są próbka i wzorzec (w przypadku próbek ciekłych i gazowych stosuje się kuwety pomiarowe) oraz fotodetektor.
- Źródło światła
Zwykle stosuje się źródła promieniowania ciągłego, przy czym w zakresie do 380[1]/400[5][6] nm stosuje się lampy wodorowe[5] lub deuterowe, natomiast w zakresie od 350[5][6]/380[1] stosuje się lampy wolframowe[5][6], lub wolframowo-halogenowe[1]. Niekiedy stosuje się również wysokociśnieniowe łukowe lampy ksenonowe które obejmują cały zakres UV-VIS[1]. Wprowadza się także przestrajalne lasery barwnikowe, które zwiększają zdolność rozdzielczą i czułość pomiarów[6].
- Monochromator i inne elementy systemu optycznego
Do wydzielenia właściwego pasma z szerokiego zakresu spektralnego źródła stosuje się monochromatory. Monochromator składa się z elementu dyspersyjnego (rozszczepiającego) oraz dwóch szczelin. Szczelina wejściowa wydziela wiązkę kierowaną na element dyspersyjny, szczelina wyjściowa wycina właściwe pasmo z rozszczepionego widma. Elementem dyspersyjnym może być pryzmat kwarcowy lub siatka dyfrakcyjna. Wadą pryzmatu jest to, że dyspersja nie jest równomierna w całym zakresie widma, przez co szerokość pasma przy ustalonej szerokości szczeliny zależy od długości fali. W przypadku siatek dyfrakcyjnych zwykle stosuje się siatki odbiciowe, które cechują się większą od siatek transmisyjnych wydajnością optyczną. Często stosuje się układ kilku monochromatorów, w którym wiązkę rozdziela się wstępnie za pomocą pryzmatu lub siatki małej rozdzielczości, tzw. premonochromatora[6]. W skład monochromatora wchodzi też kolimator, który zamienia wiązkę w wiązkę równoległą; w spektrofotometrach UV-VIS rolę tę pełnią zwierciadła. Typowymi monochromatorami stosowanymi w spektrofotometrach są układy Littrowa, Eberta i Czernego-Turnera[1].
System optyczny spektrofotometru zawiera też inne elementy, np. soczewki i zwierciadła, jednak ich rola jest uboczna[6].
- Kuweta
W przypadku badania próbek ciekłych lub gazowych stosuje się kuwety pomiarowe. Kuwety pomiarowe muszą być starannie wykonane, zapewniać dokładnie znaną grubość warstwy absorbującej, wykazywać odporność na działanie chemikaliów i dużą transmisję promieniowania. Stosuje się głównie kuwety grubości 10 mm, spotyka się jednak również kuwety mniejszej lub większej grubości. W przypadku badań w nadfiolecie stosuje się kuwety kwarcowe lub krzemionkowe, natomiast w świetle widzialnym kwarcowe lub ze szkła optycznego, niekiedy z tworzyw sztucznych[7]. Stosuje się też specjalne typy kuwet, np. przepływowe lub z płaszczem wodnym[8].
- Detektory i układy pomiarowe
Detektor służy do zamiany padającego promieniowania elektromagnetycznego na sygnał elektryczny. Do tego celu stosuje się głównie fotokomórki, fotopowielacze i fotodiody półprzewodnikowe. Sygnał z detektora kierowany jest do układu pomiarowego. Może nim odpowiednio wyskalowany galwanometr[9]. Stosuje się również układy kompensacyjne, w których pomiar dokonuje się za pomocą obniżenia natężenia wiązki porównawczej do wielkości równej natężeniu wiązki przechodzącej przez próbkę, np. za pomocą filtrów klinowych[10]. W nowszych spektrofotometrach stosuje się systemy elektroniczne, często sprzężone z układami komputerowymi, pełniącymi różnorakie funkcje w zakresie prezentacji, analizy, obróbki i zapisu danych[11].
- Dodatkowe oprzyrządowanie
W skład spektrofotometru może też wchodzić dodatkowe oprzyrządowanie, np. przystawki termostatowane, sfery całkujące[12], polaryzatory, układy umożliwiające pomiary dyspersji skręcalności optycznej i dichroizmu kołowego[6]. Stosuje się również układy spektrofotometryczne wyposażone w światłowody, umożliwiające pomiary in situ[12].
[edytuj] Podział
Ze względu na sposób rejestracji spektrofotometry dzieli się na[11]:
- punktowe – obsługiwane manualnie, dokonujące wyłącznie pomiarów bezpośrednich,
- samorejestrujące – automatycznie rejestrujące widmo. Współczesne spektrofotometry tego typu zawierają komputer, dawniej widmo było rysowane na papierze przesuwającym się wraz z przemiataniem widma[5].
Spektrofotometry dzieli się również na[13]:
- jednowiązkowe – odnośnik i próbka badana są kolejno wprowadzane w bieg wiązki,
- dwuwiązkowe – wiązka jest dzielona na dwie jednakowe, równoległe wiązki, z których jedna przechodzi przez odnośnik, a druga przez próbkę; stosuje się układ z dwoma detektorami, lub z jednym detektorem, w którym wiązki są zamiennie wprowadzane do detektora przez drgający pryzmat lub poruszające się zwierciadło[10].
Istnieje także podział na[4]:
- spektrofotometry klasyczne,
- spektrofotometry z detekcją równoległą – w odróżnieniu od klasycznych przez próbkę przechodzi w nich wiązka światła o widmie ciągłym, która następnie jest dzielona przez polichromator; poszczególne pasma widma padają na różne miejsca matrycy fotodiodowej.
[edytuj] Parametry spektrofotometru
Spektrofotometr charakteryzowany jest przez następujące parametry[14]:
- zakres spektralny – przedział widma, w którym spektrofotometr może dokonać pomiaru,
- spektralna zdolność rozdzielcza – najmniejsza możliwa do uzyskania na danym przyrządzenie spektralna szerokość wiązki przy danej długości fali,
- spektralna szerokość wiązki – szerokość połówkowa rozkładu energii wiązki wychodzącej z monochromatora,
- dokładność skali,
- procentowa zawartość światła rozproszonego.
[edytuj] Spektrofotometria IR
Zasada działania spektrofotometrów dokonujących pomiarów światła podczerwonego jest zbliżona do zasady działania spektrometrów UV VIS, konieczne jest jednak stosowanie innych materiałów. Rolę źródła promieniowania pełni pręt Nernsta wykonany z tlenku cyrkonu z domieszkami innych tlenków, rozgrzewany do temperatury 1000–1800°C, albo Globar, wykonany z węglika krzemu. Stosowane pryzmaty wykonuje się z NaCl, KBr albo LiF[15]. Jako detektory stosuje się termopary, bolometry albo detektory pneumatyczne, takie jak komórka Golaya, opierające się na pomiarze ciśnienia gazu podgrzewanego przez promieniowanie podczerwone[16]. Spektrofotometry IR są wypierane przez spektrometry fourierowskie[17].
[edytuj] Zobacz też
Przypisy
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 78.
- ↑ 2,0 2,1 Z. Kęcki, Podstawy spektroskopii molekularnej, s. 182.
- ↑ 3,0 3,1 W. Zieliński, A. Rajca (red.) Metody spektroskopowe..., s. 391.
- ↑ 4,0 4,1 W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 83.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 Z. Kęcki, Podstawy spektroskopii molekularnej, s. 183.
- ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 W. Zieliński, A. Rajca (red.), Metody spektroskopowe..., s. 392.
- ↑ W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 79–80.
- ↑ Kuwety i wzorce. spectro-lab.com.pl. [dostęp 2011-12-10].
- ↑ W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 80–82.
- ↑ 10,0 10,1 J. Meyer-Arendt, Wstęp do optyki, s. 400–401.
- ↑ 11,0 11,1 W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 82.
- ↑ 12,0 12,1 Aparatura pomiarowa. www.phys.put.poznan.pl/molec/index.htm. [dostęp 2011-12-10].
- ↑ W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 82–83.
- ↑ W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 83–84.
- ↑ W. Zieliński, A. Rajca (red.) Metody spektroskopowe..., s. 339–340.
- ↑ W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 115.
- ↑ W. Zieliński, A. Rajca (red.), Metody spektroskopowe..., s. 339.
[edytuj] Bibliografia
- Zbigniew Kęcki: Podstawy spektroskopii molekularnej. Wyd. III. Warszawa: PWN, 1992. ISBN 83-01-10503-8.
- Naftaly Menn: Practical optics. Elsevier, 2004, s. 193–195. ISBN 0-12-490951-5.
- Jurgen R. Meyer-Arendt: Wstęp do optyki. Warszawa: PWN, 1977.
- Walenty Szczepaniak: Metody instrumentalne w analizie chemicznej. Wyd. IV. Warszawa: PWN, 2002. ISBN 83-01-13728-2.
- Wojciech Zieliński, Andrzej Rajca (red.): Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych. Wyd. II. Warszawa: WNT, 2000. ISBN 83-204-2479-8.
