Спектрофотометры: устройство, виды, применение и уход

Время чтения: 23 минуты

Спектрофотометрические методы массово применяются в исследованиях структуры и состава разнообразных соединений, таких как красители, аналитические реагенты и т. п., а также используются для количественной оценки свойств металлов, сплавов и других технических продуктов.

Спектрофотометр — это оптический анализатор, или иначе фотометр, спектрометр, разработанный для изучения зависимости интенсивности света от длин волн (от периода колебаний) и оптических измерений свойств испытуемого материала. Главный принцип работы спектрофотометра определяется законом Бера—Ламберта, который устанавливает взаимосвязь между поглощением света и количеством растворённого вещества. При прохождении через образец часть светового потока поглощается, и по величине этой части делается вывод о составе и насыщенности испытуемого материала.

Спектрометры функционально делятся на ультрафиолетовые (УФ), видимые (VIS) и инфракрасные (ИК), а также одно- и двухлучевые.

Основные компоненты спектральной машины включают:

Результаты обычно представляются в виде спектров, которые показывают, как световые потери, вызванные поглощением вещества, изменяются в зависимости от длины волны.

Оптические анализаторы активно применяются в науке, технике и производстве. Спектральные машины помогают специалистам получать точные и воспроизводимые результаты, что особенно важно в условиях высокой конкуренции и строгих нормативов.

Основные компоненты спектральной машины включают:

Это поможет купить нужное оборудование.

Фотометр состоит из нескольких основополагающих компонентов, каждый из которых выполняет конкретную функцию в экспериментировании. Главные элементы включают:

Эти компоненты функционируют в тесной взаимосвязи, обеспечивая точность и повторяемость исследований.

Спектрофотометрия основана на взаимодействии «свет–вещество». Когда луч проходит сквозь образец, он может быть:

Эти взаимодействия основаны на законе Бера—Ламберта, описывающего, как поглощение света зависит от концентрации вещества и длины пути, который проходит луч:

Где:

D — оптическая плотность.
Ꜫ — показатель поглощения раствора.
C — концентрация раствора.
L — толщина слоя вещества, см.

Выбор частотного диапазона зависит от исследуемого материала и целей экспериментов. Например, для тестирования белков часто используется УФ-интервал, а для выявления содержания хлорофилла в растительных образцах — видимый.

Этот вид исследований применяется во многих научных и промышленных областях:

Спектрофотометрия обеспечивает получение необходимых данных для научных изысканий и в производственных задачах.

Фотометрические машины классифицируются на несколько категорий в зависимости от их функциональности и конструкции. В этом разделе будут рассмотрены основополагающие типы таких машин, их особенности, преимущества и ограничения.

УФ-аппаратура работает на отрезке 200–400 нм. Она годится для диагностирования растворённых органических веществ и биомолекул.

Преимущества:

Ограничения:

УФ-спектрофотометры массово используются в биохимии, фармацевтике, экологии и медицине. С ними проводят количественный анализ содержания белков, ДНК–РНК, а также меряют концентрацию лекарственных препаратов и токсинов.

Машины, работающие в видимой области (400–700 нм), используются для анализирования пигментов, красителей и тому подобных материалов.

Преимущества:

Ограничения:

Применение: в химической и пищевой промышленностях, текстильном производстве и сферах, где требуется контролировать окраску продукта.

ИК-аппаратура функционирует в интервале 700 нм – 1 мм. Их используют для исследования молекулярных структур и функциональных групп.

Преимущества:

Ограничения:

ИК-спектрофотометры находят применение в органической химии, материаловедении, фармацевтике и криминалистике. Они помогают идентифицировать неизвестные соединения, изучать структуру молекул и выявлять примеси.

Двухлучевые фотометрические машины имеют два луча: один проходит через исследуемый, а второй — сквозь нормированный образец. Поэтому достоверность измерений возрастает.

Преимущества:

Ограничения:

Двухлучевые агрегаты часто используются в научных изысканиях, где требуется повышенная достоверность измерений. Они годятся для изучения сложных смесей, содержащих множество компонентов.

Портативные спектрофотометры разработаны для полевых экспериментов, тогда как стационарные устройства для лабораторий.

Портативная аппаратура эргономична, удобна для тестирования на месте. Это производственные цеха, строительные площадки или полевые условия. Стационарные типы обычно используются в лабораториях, где доминирует повышенная достоверность и автоматизация процессов.

На рисунках показаны несколько станков компании SanLiang из каталога интернет-магазина «Суперайс».

Понимание различий между видами спектральных машин помогает выбирать оборудование в зависимости от решаемых задач.

Фотометрические машины классифицируются на несколько категорий в зависимости от их функциональности и конструкции. В этом разделе будут рассмотрены основополагающие типы таких машин, их особенности, преимущества и ограничения.

Способность оптических анализаторов высокоточно измерять поглощение колебаний на различных периодах делает их незаменимыми в научных экспериментах, медицинской диагностике, оценки соответствия требованиям на предприятиях и изучении окружающей среды. Теперь подробнее об их использовании.

Такими приборами изучают структуры молекул, оценивают плотность веществ в гидрорастворах, тестируют биологические образцы и даже исследуют космические объекты:

В биохимических экспертизах часто используется метод Бредфорда для оценки концентрации белка в растворе. Он основан на изменении цвета красителя Кумасси бриллиантового синего при связывании с белком. Спектрометром можно чётко отследить потери конкретных колебаний (чаще с периодом около 595 нм), чтобы рассчитать скопление белка.

Спектрофотометрия массово применяется в медицине для анализа крови, слюны, мочи и т. п. Она помогает выявить заболевания, контролировать продуктивность лечения и проводить мониторинг состояния пациентов:

При диагностировании анемии выявляют уровень железа в сыворотке крови. Для этого используют комплексообразующие реагенты, такие как, батофенантролин, раствор которого окрашивается, взаимодействуя с железом. Изменение цвета регистрируется спектрометром, по которому рассчитывают концентрацию.

Оптические анализаторы востребованы в промышленности для проверки качества изготовленного продукта. Они помогают выяснять состав сырья, проверять соответствие продукции стандартам и выявлять дефекты:

В пищевой промышленности контролируют содержание витамина С (аскорбиновой кислоты) в продуктах. Она задерживает ультрафиолет, и по величине его потерь можно чётко выявить количество витамина С в продукте.

Спектрофотометрия активно применяется в мониторинге загрязнения воздуха, воды и почвы. Она позволяет обнаруживать токсичные компоненты, тяжёлые металлы и тому подобные загрязнители:

Для апробирования качества питьевой воды выявляют содержание хлора, который окрашивает гидросмесь с п-амино-N,N-диэтиланилином. По интенсивности окраски можно судить о концентрации свободного хлора в испытуемой воде.

Оптические анализаторы массово применяются: от фундаментальных научных исследований до повседневной диагностики и контроля в промышленности. Точность и универсальность делают эти аппараты незаменимыми инструментами для нынешних лабораторий и производственных предприятий.

Выбор фотометрического оборудования — серьёзная задача, требующая учёта большого количества факторов. Чтобы выбрать нужное устройство для ваших конкретных задач, изучите внимательно следующие критерии.

Определяет измерительный интервал длин волн. Органические соединения часто имеют максимумы поглощения в УФ-области, а неорганические — в VIS или ИК.

При поиске такого аппарата убедитесь, что его диапазон соответствует вашим задачам.

Как определить требуемый частотный интервал:

В научных исследованиях для изучения образцов ДНК предпочтительнее использовать УФ-аппаратуру, тогда как для оценки свойств красителей в продукции подойдёт видимая.

Разрешение спектрометра — это способность различать близкие по длине волны сигналы. Точность измерений определяет, насколько близки результаты к истинным значениям. Эти параметры критически важны для получения надёжных данных.

Для высокоточных экспериментов, таких как изучение сложных смесей, выбирайте аппаратуру с большим разрешением и точностью.

Для медицинских лабораторий, где нужно анализировать концентрацию различных компонентов в крови, на первом плане большая достоверность и стабильность, что делает предпочтительными высокоточные двухлучевые спектрометры.

Пропускная способность отражает производительность и оценивает, сколько образцов может быть обработано в заданное время. Скорость обработки также важна при поиске спектрофотометра для опытных лабораторий, где высока нагрузка:

Как найти нужную пропускную способность и скорость работы:

В больших фармацевтических компаниях, где ежемесячно проводятся сотни анализов, предпочтение отдаётся стационарным оптическим анализаторам с увеличенной производительностью, чтобы ускорить процесс тестирования.

Каждая область применения имеет свои конкретные требования к фотометрам:

При выборе фотометра учитывайте специфику вашего предприятия и требования к оборудованию. В образовательных учреждениях студентам достаточно несложных моделей фотометров, которые обеспечивают базовые функции, в то время как промышленные лаборатории требуют более сложного оборудования с надёжной устойчивостью к внешним факторам.

Правильная эксплуатация и регулярное обслуживание фотометров обеспечивают их долговечность, точность и надёжность. В этом разделе рассмотрены главные правила калибровки и настройки, а также рекомендации по техобслуживанию.

Это процесс настройки прибора для обеспечения точности измерений. Проводится для уменьшения количества систематических ошибок и гарантирует надёжность получаемых данных. Её рекомендуется проводить как минимум дважды в год. В случае интенсивной работы или когда необходима повышенная достоверность, калибровку следует выполнять чаще. Вот главные шаги калибровки.

Подготовка:

Процедура калибровки:

Настройка параметров:

Контроль качества:

Техобслуживание помогает поддерживать работоспособность фотометра и предотвращает отказы. Рекомендуется проводить его не реже чем раз в два года после окончания гарантийного срока эксплуатации, и ежегодно после пяти лет использования.

Чистка и уход за прибором:

Замена расходных материалов:

Хранение и транспортировка:

Диагностика и ремонт:

Используйте методики и инструкции завода-изготовителя. Следование рекомендованным стандартам и процедурами повысит производительность вашего оборудования.