Spektrofotometria

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
(Przekierowano z Spektrofotometr)
Skocz do: nawigacja, szukaj
Prosty spektrofotometr

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 nadfiolecieświetle widzialnym, a dawniej również w podczerwieni, znajdując szerokie zastosowanie w chemii analitycznej, biologii, medycynie i badaniach materiałowych.

Spektrofotometria UV-VIS[edytuj kod]

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].

Elementy składowe[edytuj kod]

Schemat działania spektrofotometru jednowiązkowego

Podstawowymi elementami typowego spektrofotometru są: źródło światła, monochromator, miejsce umieszczenia próbki i wzorca (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 ksenonowe lampy łukowe, obejmujące 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 wydajnością optyczną większą niż siatki transmisyjne. 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, na przykład soczewki i zwierciadła, jednak ich rola jest uboczna[6].

Kuweta
Kuweta kwarcowa do pomiarów absorpcji w nadfiolecie

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 o grubości 10 mm, spotyka się jednak również kuwety o 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, na przykład 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, którym może być odpowiednio wyskalowany galwanometr[9]. Stosuje się również układy kompensacyjne, w których pomiaru dokonuje się za pomocą obniżenia natężenia wiązki porównawczej do wielkości równej natężeniu wiązki przechodzącej przez próbkę (np. za pomocą filtrów klinowych)[10]. W unowocześnionych 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, na przykład 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].

Podział[edytuj kod]

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 albo z jednym detektorem, do którego wiązki są wprowadzane naprzemiennie 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.

Parametry spektrofotometru[edytuj kod]

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 przyrządzie spektralna szerokość wiązki przy danej długości fali
  • spektralna szerokość wiązki – szerokość połówkowa rozkładu energii wiązki wychodzącej z monochromatora
  • dokładność skali
  • procentowa zawartość światła rozproszonego.

Spektrofotometria IR[edytuj kod]

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 węgliku krzemu. Stosowane pryzmaty wykonuje się z NaCl, KBr albo LiF[15]. Jako detektory stosuje się termopary, bolometry albo detektory pneumatyczne, między innymi komórkę Golaya, opierające się na pomiarze ciśnienia gazu podgrzewanego przez promieniowanie podczerwone[16]. Spektrofotometry IR są wypierane przez spektrometry fourierowskie[17].

Zobacz też[edytuj kod]

Przypisy

  1. a b c d e f W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 78.
  2. a b Z. Kęcki, Podstawy spektroskopii molekularnej, s. 182.
  3. a b W. Zieliński, A. Rajca (red.) Metody spektroskopowe..., s. 391.
  4. a b W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 83.
  5. a b c d e Z. Kęcki, Podstawy spektroskopii molekularnej, s. 183.
  6. a b c d e f g W. Zieliński, A. Rajca (red.), Metody spektroskopowe..., s. 392.
  7. W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 79–80.
  8. Kuwety i wzorce. spectro-lab.com.pl. [dostęp 2011-12-10].
  9. W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 80–82.
  10. a b J. Meyer-Arendt, Wstęp do optyki, s. 400–401.
  11. a b W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 82.
  12. a b Aparatura pomiarowa. www.phys.put.poznan.pl/molec/index.htm. [dostęp 2011-12-10].
  13. W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 82–83.
  14. W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 83–84.
  15. W. Zieliński, A. Rajca (red.) Metody spektroskopowe..., s. 339–340.
  16. W. Sczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, s. 115.
  17. W. Zieliński, A. Rajca (red.), Metody spektroskopowe..., s. 339.

Bibliografia[edytuj kod]

  • 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.