Co to jest, budowa spektrofotometru i do czego służy spektrofotometr
Spektrofotometria jest metodą pomiaru i analizy barwy, dzięki której oznaczamy stężenie lub skład substancji chemicznych. Ponadto kontrolujemy spójność barwy materiałów oraz ich właściwości optyczne i fizyczne, a także edytujemy kolory cyfrowe. Spektrofotometria zajmuje się ilościowym określeniem absorpcji lub transmisji światła przez badaną próbkę, dzięki czemu znajduje zastosowanie między innymi w chemii, medycynie i materiałoznawstwie. Poznaj cechy, rodzaje oraz zastosowanie spektrofotometrów, czyli urządzeń umożliwiających stosowanie tej techniki pomiarowej.
Co to jest i jak działa spektrofotometr?
Spektrofotometr analizuje widmo światła, które powstaje w wyniku różnego rodzaju promieniowania na badaną próbkę. Materiał poddawany analizie w mniejszym lub większym stopniu pochłania światło, spektrofotometr zaś rejestruje i porównuje intensywność padającego światła z intensywnością światła przechodzącego przez substancję.
Na tej podstawie urządzenie oblicza współczynnik absorpcji lub transmisji próbki dla poszczególnych długości fal. Dzięki temu możemy określić na przykład parametry barwy próbki, jej odcień, nasycenie i jasność wynikające ze stężenia substancji w próbce.
Oznaczenie stężenia substancji przy pomocy metody spektrofotometrycznej opiera się na prawie Lamberta-Beera, według którego absorbancja, czyli miara absorpcji promieniowania jest wprost proporcjonalna do stężenia i grubości warstwy roztworu ulegającego promieniowaniu.
Do czego służy spektrofotometr i gdzie jest stosowany?
Wiemy już, że spektrofotometr mierzy barwę, wykorzystując wiązkę światła. Służy zatem do precyzyjnego pomiaru barw substancji lub materiałów zarówno ciał stałych na przykład tkanin, metali, tworzyw syntetycznych i naturalnych, jak również cieczy czy gazów. Ponadto pozwala kontrolować barwę oraz skład chemiczny próbki, którą badamy.
W praktyce spektrofotometr może mierzyć na przykład stężenie chlorofilu w roślinach, poziom glukozy lub hormonów we krwi, jest zatem przydatny w medycynie. Ponadto wspomaga badania właściwości biologicznych i biochemicznych komórek, tkanek i organizmów poprzez dostarczenie danych do analizy aktywności enzymów czy struktury DNA. W farmacji pozwala kontrolować jakość barwy leków i kosmetyków, co jest ważne dla utrzymania wymaganych standardów.
Pozostałe dziedziny nauki i techniki również korzystają ze wsparcia spektrofotometrii, która umożliwia precyzyjne tworzenie oraz edycję kolorów cyfrowych, co jest przydatne do kalibracji takich urządzeń jak drukarki czy monitory, abyśmy mogli uzyskać jak najwierniejsze odwzorowanie palety barw. W przemyśle spektrofotometry czuwają nad jakością i kontrolą barw wielu produktów oraz materiałów do ich wytwarzania.
Na podstawie absorpcji oraz transmisji światła określamy również właściwości mechaniczne i termiczne materiałów, ich wytrzymałość, twardość czy przewodność cieplną, do czego spektrofotometr jest urządzeniem niezbędnym.
Budowa spektrofotometru
Spektrofotometr zazwyczaj zbudowany jest z takich elementów jak:
- źródło światła – lampy emitujące wiązkę światła o szerokim zakresie długości fal. Może to być lampa wodorowa, deuterowa, wolframowo-halogenowa, ksenonowa lub laserowa;
- monochromator – może nim być pryzmat, siatka dyfrakcyjna lub filtr interferencyjny rozdzielający wiązkę światła na poszczególne długości fal;
- miejsca umieszczenia próbki z kuwetą pomiarową;
- fotodetektor – o dużej czułości przetwarzający energię promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną;
- wyświetlacz – pokazujący wyniki pomiaru w postaci danych kolorymetrycznych, widma absorpcyjnego lub transmisyjnego.
Rodzaje spektrofotometrów
Spektrofotometry w różny sposób mogą rejestrować dane, dlatego dzielimy je na punktowe, które wymagają obsługi manualnej i wykonują pomiary bezpośrednie oraz samorejestrujące, czyli automatyczne.
Podział spektrofotometrów ze względu na zakres długości fal światła
W zależności od zakresu długości fal światła stosowanego podczas pomiarów dzielimy spektrofotometry na kilka typów:
- spektrofotometr UV-VIS – wykorzystuje promieniowanie od 200 do 750 nm, co oznacza, że używa światła w zakresie nadfioletowym i widzialnym. Wykorzystujemy go do oznaczania substancji organicznych takich jak kwasy, aldehydy, ketony, a także nieorganicznych jak dwutlenek węgla;
- spektrofotometr IR – stosuje światło w zakresie podczerwonym, czyli od 750 do 2500 nm. Umożliwia on oznaczenie substancji organicznych na podstawie ich drgań molekularnych;
- spektrofotometr NMR – używa fal radiowych i pola magnetycznego, które pobudzają jądra atomowe w badanej próbce, dzięki czemu na podstawie rezonansu magnetycznego możemy oznaczyć strukturę i skład substancji organicznych.
Ponadto spektrofotometry dzielimy na jednowiązkowe oraz dwuwiązkowe, a także klasyczne i z detekcją równoległą w zależności od sposobu wprowadzania wiązki światła.
Podział spektrofotometrów ze względu na sposób pomiaru barwy
Spektrofotometr może mierzyć ilość światła odbijającego się od badanej próbki lub przechodzącego przez nią. Dlatego wyróżniamy spektrofotometry odbiciowe i transmisyjne.
Spektrofotometr odbiciowy bada odbicie światła i możemy użyć do pomiaru barw stałych. Wówczas uzyskamy dane o barwie próbki w warunkach zbliżonych do naturalnych źródeł światła. Na wynik będą jednak miały też wpływ warunki zewnętrzne takie jak tekstura powierzchni próbki i kąt padania światła.
Spektrofotometr transmisyjny określa nam precyzyjnie barwę na przykład cieczy czy gazów, pozwoli również na bardziej kontrolowane, bo izolowane od wpływu otoczenia warunki pomiaru. Musimy jednak umieścić próbkę w specjalnej komórce pomiarowej i dopasować długość fali światła do stężenia i rodzaju substancji.
Jak dobrać spektrofotometr do cech danej próbki?
Z uwagi na różnorodność badanych próbek pod względem stopnia przejrzystości, gęstości, zakrzywień i tekstur spektrofotometry mają różną geometrię pomiarową.
Analizę koloru na płaskich, gładkich powierzchniach wykonujemy spektrofotometrem, który emituje światło pod stałym kątem 45 stopni i mierzy światło odbite od próbki zawsze pod kątem 0 stopni. Jest to typ pomiaru nieuwzględniający połysku, dlatego stosuje się go dla materiałów o powierzchni matowej.
W celu rejestracji światła odbitego od wszystkich kątów próbki wybieramy spektrofotometr sferyczny. Wówczas wygląd powierzchni próbki może, lecz nie musi być uwzględniany podczas badania. Takim sprzętem zmierzymy barwę tekstyliów, tworzyw sztucznych oraz powierzchni o różnym stopniu połysku.
Spektrofotometry wielokątowe pozwalają precyzyjnie określić barwę próbki pod różnymi kątami, symulując jej obracanie. Są przydatne do badania pigmentów powlekanych i kolorów z dodatkowymi efektami takich jak lakiery samochodowe lub lakiery do paznokci.
Podsumowując, spektrofotometr jest urządzeniem do precyzyjnego pomiaru i kontroli barw mierzącym absorpcję lub transmisję światła przez badaną próbkę. Dzięki możliwości dopasowania sprzętu pod względem promieniowania i długości fal światła, ich kąta padania i odbicia lub transmisji do właściwości materiału możemy uzyskać dokładne dane o barwie niemal każdej próbki oraz zbadać jej właściwości optyczne i fizyczne.
Obiektywne i precyzyjne dane uzyskane za dzięki pomiarom spektrofotometrycznym pomagają w kalibracji urządzeń, które generują lub odtwarzają kolory cyfrowe, usprawniają badania substancji na podstawie ich barwy i jej właściwości oraz pozwalają kontrolować jakość i spójność kolorystyczną produktów.
