Фотометрические методы анализа основаны на измерении интенсивности
света, проходящего через образец, или излучаемого им. Ключевой
характеристикой этих методов является зависимость поглощения или
испускания света от концентрации анализируемого вещества. Приборная
реализация фотометрии требует использования специализированного
оборудования, обеспечивающего точность, чувствительность и
воспроизводимость измерений.
Основные
компоненты фотометрических приборов
1. Источник излучения Источники света обеспечивают
необходимую интенсивность и спектральную характеристику излучения. В
аналитической химии применяются:
- Лампы накаливания – широкополосные источники
видимого света, применяемые в общей спектрофотометрии.
- Газоразрядные лампы (например, ртутные, натриевые,
дейтериевые) – обеспечивают узкие спектральные линии, важные для
атомно-абсорбционной и фотометрии с узкой полосой.
- Лазеры – монохроматический и когерентный источник,
используемый в высокочувствительных измерениях и исследованиях слабых
спектральных сигналов.
2. Монохроматор Монохроматор служит для выделения из
широкого спектра источника света узкой спектральной полосы. Основные
типы:
- Призматические монохроматоры – используют дисперсию
света в призме; обеспечивают высокое разрешение, но ограничены
спектральной стабильностью.
- Диффракционные решётки – обеспечивают высокую
спектральную селективность и гибкость настройки, особенно важны для УФ и
видимой области.
- Фильтры интерференционные и поглощающие – простые и
дешёвые, применяются при ограниченных требованиях к спектральной
точности.
3. Кювета или образцовый держатель Материал и форма
кюветы напрямую влияют на точность измерений.
- Стеклянные и кварцевые кюветы – кварц необходим для
УФ-области из-за прозрачности.
- Толщина слоя – стандартно 1 см, но может
варьироваться в зависимости от чувствительности и концентрации
вещества.
- Температурный контроль – критичен при измерениях в
хроматографических и биохимических системах.
4. Детекторы Детекторы преобразуют световой сигнал в
электрический, пригодный для измерения. Основные типы:
- Фототранзисторы и фотодиоды – компактные, с высокой
чувствительностью в видимой области.
- Фотокатоды и фотоумножители – обеспечивают усиление
слабого сигнала, важны для анализа малых концентраций.
- Силовые фотодетекторы (термоэлементы, болометры) –
применяются при инфракрасной спектрофотометрии.
5. Электронная система обработки сигнала Современные
приборы включают аналого-цифровые преобразователи, усилители и
программное обеспечение для:
- автоматической калибровки и коррекции спектра;
- подавления шумов и флуктуаций источника света;
- вычисления концентрации вещества на основе закона
Бугера–Ламберта–Бера.
Типы фотометрических
приборов
Спектрофотометры Универсальные приборы, измеряющие
спектральное распределение поглощения или пропускания.
- Однополосные – простые, применяются для измерения в
фиксированных диапазонах.
- Двухлучевые – компенсируют колебания интенсивности
источника света, повышая точность.
- Селективные спектрофотометры – позволяют
одновременно измерять несколько длин волн, полезны при анализе сложных
смесей.
Флуориметры Измеряют люминесценцию вещества,
возбуждённого светом. Основные компоненты:
- источник возбуждения;
- система фильтров для выделения спектра эмиссии;
- детектор, чувствительный к слабому свету.
Фотоколориметры Простые приборы для измерения
интенсивности окраски растворов. Отличаются отсутствием сложного
монохроматора, используют набор фильтров под конкретные длины волн.
Атомно-абсорбционные спектрофотометры (ААС)
Специализированные приборы для анализа металлов в растворах. Особенности
конструкции:
- атомизатор (пламенный или графитовый);
- источник узкой спектральной линии элемента (лампа с полым
катодом);
- высокочувствительный фотодетектор, обеспечивающий регистрацию малых
концентраций на уровне ppb.
Технические
характеристики и параметры
- Диапазон длин волн – определяет область
применимости прибора; стандартно 190–900 нм для УФ–видимой
спектроскопии.
- Разрешение по длине волны – способность различать
близкие спектральные линии; критично при анализе смешанных
растворов.
- Погрешность измерений – определяется стабильностью
источника света, точностью монохроматора и качеством детектора.
- Чувствительность – минимальная концентрация
вещества, дающая достоверный сигнал; повышается за счёт усиления сигнала
и снижения шума.
- Линейность отклика – важна для количественного
анализа по закону Бугера–Ламберта–Бера.
Современные
тенденции в конструкции приборов
- Интеграция с компьютерами и автоматизированными системами сбора
данных.
- Миниатюризация и портативные устройства для полевых измерений.
- Использование лазерных и светодиодных источников для повышения
точности и снижения энергопотребления.
- Развитие мультиспектральных и гиперспектральных приборов, способных
одновременно анализировать несколько компонентов.
Особенности эксплуатации
и калибровки
- Регулярная проверка источника света и детектора на стабильность
сигнала.
- Использование эталонных растворов и фильтров для калибровки
спектра.
- Контроль чистоты кювет и отсутствие пузырьков воздуха для исключения
искажений сигнала.
- Учет температурных колебаний, влияющих на интенсивность и
спектральные характеристики света.
Фотометрические приборы представляют собой сложные системы,
объединяющие оптику, электронику и химические аспекты анализа,
обеспечивая высокую точность и чувствительность количественных и
качественных исследований веществ.