Что такое спектрофотометры? Виды, принцип работы

Для чего нужен спектрофотометр, как устроен и работает

Прибор для измерения коэффициента пропускания или отражения растворов или твердых объектов в зависимости от длины волны. Такие устройства также часто называют спектрометрами, но термин спектрофотометры является более конкретным и точным. 

Обратите внимание, что измерение с помощью таких приборов дает не оптический спектр (зависимость оптической интенсивности от длины волны), а скорее зависящее от длины волны количество исследуемого образца.

Спектрофотометры доступны для различных спектральных областей:

• Некоторые приборы можно использовать только в видимой области спектра (VIS), например, для колориметрии.
• Другие подходят только для ультрафиолетовой области (UV) или дополнительно для видимого света (UV VIS).
• Некоторые устройства предназначены только для инфракрасного излучения (ИК) или только для ближнего инфракрасного излучения (NIR).
• Некоторые УФ- И ИК-спектрофотометры охватывают все области спектра.

Обычно измеряемыми величинами являются коэффициент пропускания, поглощения или отражения, зависящий от длины волны. В некоторых случаях можно измерить количество рассеянного света.

Спектрофотометры часто представляют собой лабораторные приборы, которые ставят на какой-нибудь стол, но есть и ручные приборы. Для колометрии часто можно использовать упрощенные колометры, используя только три (или несколько больше) цветовых канала, если целью является только измерение цветов.

Виды спектрофотометров, принцип работы

Сканирующие Спектрофотометры

Основной принцип работы большинства спектрофотометров заключается в освещении исследуемого объекта квазимонохроматическим с переменной длиной волны и измерении оптических свойств, таких как коэффициент отражения, поглощения или степень рассеяния света в зависимости от длины волны. 

Такие приборы называются сканирующими спектрофотометрами, поскольку их работа включает в себя сканирование по спектральным областям.

В большинстве случаев спектрофотометр содержит широкополосный источник света (источники белого света). Например, лампу накаливания или газоразрядную лампу высокого давления, за которым следует настраиваемый монохроматор - например, монохроматор Черни-Тернера на основе дифракционной решетки. 

После монохроматора остается относительно слабый световой луч с радиусом луча обычно в несколько миллиметров и умеренным расхождением. Но существенно большим, чем для лазерного луча с тем же радиусом луча), который может быть направлен через образец или через него. Только небольшая часть света от лампы попадает на образец.

В любое время для измерения может использоваться только небольшая часть общей генерируемой оптической мощности. Первая причина этого заключается в том, что используемая лампа излучает во всех направлениях, и можно использовать только свет, излучаемый в определенном небольшом диапазоне направлений. 

Кроме того, одновременно используется только небольшая часть спектра. В частности, когда требуется высокое спектральное разрешение, тогда может потребоваться длительное время измерения на интервал длины волны для получения достаточно высокого отношения сигнал/шум, и общее время измерения может быть довольно большим. 

Безусловно, полезно использовать своего рода фотоприемник, который может быть одновременно высокочувствительным и быстрым – например, фотоумножитель. Настраиваемый лазер может посылать гораздо больше света на образец, но эта концепция часто непрактична.

В качестве альтернативы, можно использовать какой-либо перестраиваемый лазер, который может обеспечить спектральную яркость на порядки выше. В этом случае время измерений может быть значительно сокращено. 

Однако перестраиваемые лазеры гораздо более ограничены с точки зрения спектрального диапазона, а также намного дороже и сложнее в использовании. Поэтому большинство спектрофотометров по-прежнему полагаются на широкополосные источники света и монохроматоры.

Промежуточным решением может быть использование супер континуального источника, который демонстрирует высокую степень пространственной когерентности и, таким образом, может также предлагать существенно повышенный уровень сигнала и соответствующее сокращение времени измерения. Такие источники могут охватывать более широкие спектральные диапазоны, чем перестраиваемые лазеры.

Обычно полученная интенсивность (точнее оптическая мощность) после монохроматора претерпевает существенные изменения при сканировании на разных длинах волн. Кроме того, она может демонстрировать временные дрейфы, например, из-за изменений температуры или старения используемой лампы. 

Ткаже чувствительность фотоприемника обычно зависит от длины волны. По этим причинам точные измерения поглощения или отражения, например, требуют сравнения интенсивностей с исследуемым объектом или без него.

В однолучевом спектрофотометре калибровка выполняется с помощью отдельного калибровочного сканирования, в которое не вставляется образец или эталонный образец. В зависимости от требуемой точности калибровочные сканирования могут потребоваться довольно часто или, например, только один раз в день.

При одновременном проведении обоих измерений достигается более высокая точность и удобство. Распространенным решением является использование двухлучевой установки. 

Здесь монохроматический световой пучок разделяется на два луча с помощью светоделителя. Один из лучей передается через образец на фотоприемник; другой непосредственно попадает на другой фотоприемник или передается через эталонный образец. 

Проблема может заключаться в том, что коэффициент расщепления луча вряд ли может быть независимым от длины волны в очень большом спектральном диапазоне. Это можно решить, например, с помощью двух или трех таких светоделителей. Каждый из лучей отражается на одном таком светоделителе и передается на другой, имеющий те же оптические свойства.

Вместо двух разных детекторов для образца и эталона можно использовать один фотоприемник. Он поочередно получает свет от образца или от эталонного рычага, например, через какой-то прерыватель с вращающимися дисками. Это также устраняет влияние любых различий между двумя детекторами.

Даже при использовании двухлучевого спектрофотометра (или двухлучевого прибора) иногда может потребоваться выполнить калибровочное сканирование, при котором образец заменяется эталонным образцом. Только так можно быть уверенным, что на результаты измерений не повлияют какие-либо асимметрии в настройке, например, вызванные пылью, грязью или несоосностью.

Для точных измерений свойства исследуемых объектов, они должны быть приблизительно постоянными в течение времени, необходимого для сканирования. Это может быть проблемой, например, при мониторинге химических реакций, протекающих со значительной скоростью.

Несканирующие спектрофотометры

Основной принцип несканирующего спектрофотометра заключается в освещении объекта широкополосным светом и проведении спектрального анализа на стороне фотоприемника. 

Таким образом, можно одновременно измерять свойства на всех соответствующих длинах волн, и измерение может быть соответственно быстрее, предполагая, что спектральный анализ не занимает много времени.

Используемый спектрометр для анализа света, исходящего от объекта, может быть обычного типа Черни–Тернера. Этот подход вполне уместен при анализе проходящего или отраженного света, когда анализируемый свет может быть легко направлен на входную щель спектрометра, но в меньшей степени для света, рассеянного в широком диапазоне направлений, особенно когда эффективность рассеяния также зависит от длины волны.

Так же, как и в сканирующем спектрофотометре, необходимо учитывать интенсивность источника, зависящую от длины волны (неплоский спектр источника). Часто измерения просто сравниваются с образцом и без образца, или с образцом и эталонным образцом. Существуют также приборы, содержащие два спектрометра: один для пробного света и один для опорного луча.

Спектрофотометры для фиксированных длин волн

Существуют также спектрофотометры, которые выполняют измерения только на некотором ограниченном числе фиксированных длин волн, которые устанавливаются для конкретного применения.

Показатели производительности спектрофотометров

Наиболее важными рабочими характеристиками таких приборов являются:

• величины, которые могут быть измерены (например, только поглощение или поглощение и отражение);
• доступный спектральный диапазон, в идеале, UV - VIS - IR;
• спектральное разрешение (фиксированное или переменное, часто ограниченное монохроматором);
• диапазон поглощения (ограничен источником света и чувствительностью детектора);
• время измерения для заданного спектрального диапазона и разрешения.

Примеры применения спектрофотометров

Колориметрия

В некоторых приложениях целью является объективная оценка цвета определенных объектов, например, печатных материалов или текстиля. Иногда это необходимо, поскольку оценка цветов человеческим глазом подвержена различным нарушающим воздействиям, таким как различные условия окружающего освещения, разные цвета соседних объектов и различия в восприятии между разными людьми. Напротив, спектрофотометр может выдавать объективные данные, которые не подвержены таким воздействиям.

Существуют также колориметрические применения в промышленных процессах. В частности, контроль качества может зависеть от свойств цвета, поскольку цвета часто коррелируют с другими интересующими свойствами.

Спектрофотометры, оптимизированные для колориметрии, также называются колометрами. Обычно они работают только с видимым светом или, возможно, также с ближним ультрафиолетовым и ближним инфракрасным светом.

Характеристика лазерных зеркал

Лазерные зеркала часто характеризуются с точки зрения спектров отражения, которые также содержат полезную информацию, касающуюся областей пропускания для инжекции накачки, выходной связи и для подавления нежелательных лазерных линий.

Если используемый спектрофотометр не подходит непосредственно для измерения при некотором ненормальном падении, возможно, придется дополнительно использовать дополнительное зеркало с высокой отражающей способностью (например, широкополосные зеркала с металлическим покрытием первой поверхности), эффективно измеряя двойное отражение на тестируемом зеркале.

Идентификация веществ

Основываясь на характерных спектральных характеристиках поглощения различных веществ, можно идентифицировать широкий спектр веществ, например, в жидком растворе или в газовой ячейке на основе широкополосных спектров поглощения.

Измерения концентрации

Поглощающая способность раствора часто зависит от концентрации определенных поглощающих веществ. Следовательно, такие концентрации могут быть рассчитаны на основе измеренных значений поглощения. Это особенно просто, если линии поглощения различных встречающихся веществ не перекрываются. 

Можно просто использовать закон Бира-Ламберта. В более сложных случаях с перекрывающимися характеристиками поглощения все еще часто возможно точно рассчитать вклад различных веществ в общее поглощение по записанному спектру поглощения. Такие измерения могут быть выполнены в различных спектральных областях, часто в инфракрасном диапазоне.

Мониторинг сельскохозяйственной продукции

Специализированные спектрофотометры используются для мониторинга состояния сельскохозяйственной продукции. Например, они могут использоваться для определения того, насколько далеко продвинулся процесс созревания или выпечки, и подачи сигнала тревоги, если определенные параметры выходят за допустимые пределы.